Vilka är de viktigaste faktorerna som används för att klassificera industrirobotar?

Miljontals industrirobotar är aktiva i Industry 4.0-fabriker runt om i världen. De används för att öka produktionstakten, förbättra kvaliteten, minska kostnaderna och stödja en mer flexibel och hållbar verksamhet. Eftersom industrirobotar är så viktiga har Internationella standardiseringsorganisationen (ISO) tagit fram standarden 8373:2021, Robotik – Terminologi, för att definiera termer som används inom robotteknik och skapa ett gemensamt språk för att kunna diskutera de många olika typerna av robotar och deras tillämpningar.

Internationella robotfederationen (IFR) använde viktiga termer som definieras i ISO 8373:2021 för att identifiera sex robotklassificeringar baserade på deras mekaniska struktur, inklusive:

• Ledad
• Kartesisk
• Cylindrisk
• Parallell/Delta
• Sfärisk
• SCARA

Artikeln granskar ISO 8373:2021 och tittar på de fyra viktigaste termerna som definierar en robot, med fokus på behovet av omprogrammerbarhet och de typer och antal robotleder som används av internationella robotfederationen för att utveckla robotklassificeringar. Den går därefter in på detaljerna och skillnaderna i respektive robotklassificering och presenterar exempel på robotar från flera tillverkare. Artikeln tittar även på system som kallas robotar men som inte uppfyller alla ISO-krav.

Standarden ISO 8373:2021 definierar en industrirobot som en "automatiskt styrd, omprogrammerbar, mångsidig manipulator, programmerbar i tre eller fler axlar, som antingen kan vara stationär på en plats eller monterad på en mobil plattform för användning i automatiseringstillämpningar i en industriell miljö."

En avgörande skillnad är möjligheten till omprogrammering. Vissa industrimaskiner kan ha manipulatorer, röra sig i flera axlar och hantera specifika uppgifter som t.ex. att plocka upp flaskor på en fyllningslinje för dryck och placera dem i en låda. Men det är inte en robot om den är dedicerad till detta enda syfte och inte kan omprogrammeras. "Omprogrammerbar" definieras i standarden ISO 8373 som "konstruerad så att de programmerade rörelserna eller hjälpfunktionerna kan ändras utan fysiska förändringar".

Typ av och antal robotleder

Standarden ISO 8373 definierar två typer av robotleder:

• Prismatiska leder, eller glidleder, är en anordning mellan två länkar som gör att den ena kan röra sig linjärt i förhållande till den andra.
• Rotationsleder, eller snurrande leder, är en enhet som förbinder två länkar så att den ena kan rotera i förhållande till den andra kring en fast axel.

Den internationella robotfederationen har använt dessa och andra definitioner i standarden ISO 8373 för att identifiera sex klassificeringar för industrirobotar baserade på deras mekaniska struktur eller topologi. Dessutom har olika robottopologier olika antal axlar och därmed olika antal leder.

Antalet axlar är en viktig egenskap hos industrirobotar. Antalet axlar och deras typ avgör robotens rörelseomfång. Varje axel representerar en oberoende rörelse eller frihetsgrad. Fler frihetsgrader innebär att en robot kan röra sig i större och mer komplexa utrymmen. Vissa typer av robotar har ett fast antal frihetsgrader, medan andra kan ha olika antal frihetsgrader.

Ändverktyg, även kallade EOAT (end-of-arm tooling) eller "manipulatorer för flera olika funktioner", är enligt standarden ISO 8373 en annan viktig beståndsdel för de flesta robotar. Det finns ett stort utbud av ändverktyg, inklusive gripdon och dedicerade processverktyg som t.ex. skruvmejslar, färgsprutor eller svetsar, sensorer och t o m kameror. De kan vara pneumatiska, elektriska eller hydrauliska. Vissa ändverktyg kan rotera, vilket ger roboten ytterligare en frihetsgrad.

Följande avsnitt börjar med den internationella robotfederationens definition av varje robottopologi och undersöker därefter deras kapacitet och tillämpning.

Ledade robotar har tre eller fler roterande leder.

Detta är en stor klass med robotar. Ledade robotar kan ha tio eller fler axlar, där sex axlar är vanligast. Robotar med sex axlar kan röra sig i x-, y- och z-plan samt kan snurras, lutas och vridas, vilket gör att de kan efterlikna rörelserna hos en mänsklig arm.

De finns även för en stor mängd nyttolastkapaciteter, från under 1 kg till över 200 kg. Robotarnas räckvidd varierar även kraftigt, från under en meter till flera meter. KR 10 R1100-2 från KUKA är till exempel en robot med sex leder, med en maximal räckvidd på 1 101 mm, en maximal nyttolast på 10,9 kg och en repeterbarhet på ±0,02 mm (figur 1). Den kan utföra rörelser med hög hastighet, har korta cykeltider och ett integrerat system för strömförsörjning.

Figur 1: Robot med sex axlar och en repeterbarhet på ±0,02 mm. (Bildkälla: DigiKey)

Ledade robotar kan monteras permanent på golv, väggar eller i tak. De kan också monteras på skenor på golvet eller i taket, ovanpå en autonom mobil robot eller annan rörlig plattform, och flyttas mellan arbetsstationer.

De används för olika uppgifter som t.ex. materialhantering, svetsning, målning och inspektion. Ledade robotar är den vanligaste topologin för att implementera samverkande robotar (cobotar) som är utformade för att arbeta tillsammans med människor. Medan en konventionell robot arbetar i en säkerhetsbur med skyddsbarriärer är en samverkande robot utformad för nära interaktion med människor. Den samverkande roboten LXMRL12S0000 från Schneider Electric har exempelvis en maximal räckvidd på 1 327 mm, en maximal nyttolast på 12 kg och en repeterbarhet på ±0,03 mm. Samverkande robotar har ofta kollisionsskydd, rundade kanter, kraftbegränsningar och lägre vikt för ökad säkerhet.

Kartesisk robot (ibland även kallad rektangulär robot, linjär robot eller portalrobot) har en manipulator med tre prismatiska leder vars axlar bildar ett kartesiskt koordinatsystem.

Modifierade kartesiska robotar finns med två prismatiska leder. De uppfyller dock inte kravet "programmerbara i tre eller fler axlar" enligt standarden ISO 8373 och är därför tekniskt sett inte robotar.

Det finns fler än ett sätt att konfigurera tre prismatiska leder på och därmed fler än ett sätt att konfigurera en kartesisk robot. I en grundläggande kartesisk topologi är alla tre leder vinkelräta. En led rör sig utmed x-axeln, fäst vid en andra led som rör sig utmed y-axeln, som är fäst vid en tredje led som rör sig utmed z-axeln.

Även om den ofta används som synonym för en kartesisk robot, är portalrobottopologin inte identisk. Precis som en grundläggande kartesisk robot stödjer portalrobotar linjära rörelser i ett tredimensionellt utrymme. Men portalrobotar konfigureras med två basskenor för x-axeln, en skena med stöd för y-axeln som sträcker sig över de två x-axlarna och en utskjutande z-axel som är fäst vid y-axeln. DLE-RG-0012-AC-800-800-500 från Igus är ett exempel på en portalrobot som har ett arbetsområde på 800 x 800 x 500 mm, kan bära upp till 5 kg och röra sig i upp till 1,0 m/s med en repeterbarhet på ±0,5 mm (figur 2).

Figur 2: Portalrobot med ett arbetsområde på 800 x 800 x 500 mm. (Bildkälla: Igus)

Cylindrisk robot har en manipulator med minst en roterande led och minst en prismatisk led, där axlarna bildar ett cylindriskt koordinatsystem.

Cylindriska robotar är relativt enkla och kompakta och deras begränsade rörelseomfång gör dem lätta att programmera. De är mindre vanliga än sina mer avancerade kusiner. De är särskilt lämpade för tillämpningar som t.ex. slipning, palletering, svetsning (särskilt punktsvetsning) och materialhantering, som t.ex. lastning och lossning av halvledarplattor i kassetter vid tillverkning av integrerade kretsar (figur 3).

Figur 3: Denna cylindriska robot har en roterande led och en prismatisk led. (Bildkälla: Association for Advancing Automation)

Cylindriska robotar rör sig vanligtvis i hastigheter mellan 1 och 10 m/s, och de kan konstrueras för att bära tunga laster. Tillämpningar för cylindriska robotar finns bl a inom fordons-, läkemedels-, livsmedels- och dryckesindustrin, flyg- och rymdindustrin samt elektronikindustrin.

Parallell-/deltarobot är en manipulator vars armar har länkar som bildar en sluten struktur.

Medan andra robotar, med t.ex. cylindriska eller kartesiska topologier, är uppkallade efter sin rörelse, är deltaroboten uppkallad efter sin uppochnedvända triangulära form. Deltarobotar har två till sex axlar, där de vanligaste konstruktionerna har två eller tre axlar. Deltarobotar med två axlar, liksom kartesiska robotar med två axlar, uppfyller inte de tekniska kraven för att få kallas robotar enligt standarden ISO 8373.

Deltarobotar är konstruerade för snabbhet snarare än styrka. De monteras ovanför arbetsområdet och utför funktioner som t.ex. plockning och placering, sortering, demontering och packning. De finns ofta ovanför ett transportband och förflyttar delar längs en produktionslinje. Gripdonet är anslutet till långa, smala mekaniska länkar. Länkarna leder till tre eller fyra stora motorer placerade i robotens sockel. Den andra änden av länken är fäst vid en verktygsplatta där ändverktyget fästs.

RBTX-IGUS-0047 från Igus är ett exempel på en deltarobot med tre axlar. Den har ett arbetsområde på 660 mm i diameter och klarar en maximal belastning på 5 kg. När den hanterar en last på 0,5 kg kan den utföra 30 plockningar per minut med en maximal hastighet på 0,7 m/s och en acceleration på 2 m/s². Den har en repeterbarhet på ±0,5 mm (figur 4).

Figur 4: Deltarobot med tre axlar och styrenhet (vänster). (Bildkälla: DigiKey)

Sfärisk robot är en manipulator med två roterande leder och en prismatisk led, vars axlar bildar ett tvådimensionellt koordinatsystem.

En av de roterande lederna gör det möjligt för en sfärisk robot att rotera runt den vertikala axel som sträcker sig upp från sockeln. Den andra roterande leden är vinkelrät mot den första och gör att robotarmen kan röra sig uppåt och nedåt. Slutligen gör den prismatiska leden det möjligt för robotarmen att sträckas ut eller dras tillbaka längs den vertikala axeln.

Sfäriska robotar är visserligen enkla i sin konstruktion, men har nackdelar som begränsar deras användning jämfört med andra topologier som t.ex. ledade robotar, kartesiska robotar och SCARA-robotar:

• Det sfäriska koordinatsystemet gör programmeringen mer komplicerad.
• De har vanligtvis en mer begränsad nyttolastkapacitet än andra typer av robotar.
• De är långsammare än andra robotar.

De främsta fördelarna med sfäriska robotar är ett stort arbetsområde och hög precision. De används för att sköta verktygsmaskiner, monteringsarbete, materialhantering vid monteringslinjer inom bilindustrin samt gas- och bågsvetsning.

SCARA-robot är en manipulator med två parallella roterande leder som ger följsamhet i ett valt plan.

En grundläggande SCARA-robot har tre frihetsgrader, den tredje från ett roterande ändverktyg. SCARA-robotar finns också med ytterligare en roterande led för totalt fyra frihetsgrader, vilket möjliggör mer komplexa rörelser.

SCARA-robotar används ofta i tillämpningar för plockning och placering eller montering där det krävs hög hastighet och hög noggrannhet. M1-PRO från Dobot är ett exempel på en SCARA-robot med fyra axlar med en arbetsradie på 400 mm, en maximal nyttolast på 1,5 kg och en repeterbarhet på ±0,02 mm. Den har sensorfri kollisionsdetektering och drag för att lära-programmering, vilket gör den lämplig att använda som både samverkande och fristående robot (figur 5).

Figur 5: SCARA-robot med fyra axlar och en repeterbarhet på ±0,02 mm. (Bildkälla: DigiKey)

Sammanfattning

Alla industrirobotar uppfyller kravet för standarden ISO 8373 på att vara automatiskt styrda med en omprogrammerbar manipulator för flera olika funktioner. Det är dock inte alla konstruktioner som har ett definierat antal axlar för en viss topologi. Deltarobotar och kartesiska robotar finns med färre än det definierade antalet axlar, medan vissa SCARA-robotar har fler axlar än vad som definieras av den internationella robotfederationen.