РАЗРАБОТКА ПРОМЫШЛЕННОГО РОБОТА МАНИПУЛЯТОРА ДЛЯ СПЕЦИАЛЬНЫХ ЦЕЛЕЙ Налесная Я.А.,Виторович В.В.

Инженерно-технологическая академия ЮФУ


Номер: 4-3
Год: 2017
Страницы: 57-63
Журнал: Актуальные проблемы гуманитарных и естественных наук

Ключевые слова

робототехника, промышленный робот, 3D принтер, рынок, экономика, robotics, industrial robot, 3D printer, market, economy

Просмотр статьи

⛔️ (обновите страницу, если статья не отобразилась)

Аннотация к статье

В данной статье представлена разработка промышленного робота манипулятора для выполнения функций 3D печати. Проводится анализ рынков промышленных роботов и 3D принтеров. Выявляется актуальность выбранного направления на основе анализа рынка сбыта.

Текст научной статьи

Скорость внедрение промышленных роботов манипуляторов на отечественные предприятия значительно отстает от зарубежных. Ведь в подавляющем большинстве случаев владельцы заводов обходятся ручным трудом, исходя из экономических соображений. Однако, уже каждый понимает, что ручное производство не способно составить конкуренцию высокотехнологическому и изначально не способно конкурировать на современном развивающемся рынке. Степень роботизации в нашей стране в 70 раз ниже, чем средний показатель по миру. К этому выводу пришла Национальная ассоциация участников рынка робототехники (НАУРР). По результатам анализа, в мире на 10000 рабочих приходится примерно 69 промышленных роботов, в то время как в нашей стране всего один. Диаграмма 1. Количество промышленных роботов на 10000 рабочих в 2015 г. Такой низкий показатель связан с тем, что в России весьма слабо проинформированы в области возможностей роботов. Ведь так или иначе, приобретение промышленного робота влечет за собой сокращение рабочих и кардинальные изменения в технологическом процессе. [4] Но так или иначе, робот способен решить подавляющую массу кадровых проблем предприятия. Он довольно легко функционирует в весьма сложных для человека условиях. Во всем мире роботы используются в автомобилестроении (38%), производстве электроники (25%) и машиностроении (12%). 40% российских роботов используются в автомобилестроении. Авторами был проведен анализ имеющихся на мировом рынке манипуляционных роботов и представлена собственная разработка четырехзвенного манипуляционного робота на базе ArduinoUno, выполняющего функции 3d печати. В последнее время рынок роботов манипуляторов стремительно развивается. Различные модели могут выполнять разного рода функции, от сварки металлических конструкций до сборки смартфонов. Рынок робототехники обычно делится на две основные составляющие: промышленная и сервисная робототехника. Сервисная робототехника делится, в свою очередь, на два больших блока по сфере применения: для профессионального использования и для персонального использования. С 2011 года резко возрос спрос на промышленных роботов в связи с автоматизацией производства и техническим усовершенствованием промышленных роботов. В период с 2011 по 2015 гг. продажи в среднем составили 17% за год. Для сравнения, в период между 2006 и 2009 гг. продажи составляли около 115 тыс. шт., а между 2011 и 2015 это выросли до 171 тыс. шт. Поставки увеличились на 48 %, что указывает на значительное увеличение спроса на промышленных роботов во всем мире. [3] Диаграмма 2. Мировые поставки промышленных роботов Азия является крупнейшим рынком промышленных роботов. Например, в 2015 году: было продано около 139 300 шт., что на 41 % превысило показатель 2014 года. Это самый высокий уровень продаж за всю историю. Европейский рынок стал вторым по размеру в 2015 году, там продажи увеличились на 5%[4]. Таблица 2 Продажи промышленных роботов в 2015 г. Продажи в 2015 г. Рост Азия 139300 41% Европа 45000 5% Америка 32600 8% Сегодня на промышленных предприятиях крайне востребованы автоматизированные системы, которые помогают наладить производственную работу и в то же время минимизировать отрицательное воздействие на работников. Для того, чтобы оценить текущее положение дел в сфере робототехники, воспользуемся данными Международной федерации робототехники. Согласно прогнозам, в 2016 году планируется продать около 250 000 промышленных роботов. При этом страны Азии закупают наибольшую их часть (64%), затем идет Европа, на которую приходится около 20% объема закупок, и США, чья доля составляет около 16%. Исходя из наблюдений увеличения продаж в сфере робототехники, можно утверждать о расширении сферы ее употребления. Основными рынками сбыта являются: электротехническая / электронная промышленность, металлургия и химическая промышленность. В период с 2010 по 2014 год автомобильная промышленность является самым важным заказчиком промышленных роботов. В крупных автомобильных странах-производителях число роботизированных установок возросло. Использование новых материалов, разработка энергоэффективных приводных систем, а также высокая конкуренции на всех основных автомобильных рынках, значительно увеличило инвестиции, несмотря на существование избыточности роботов. Продажи роботов для электротехнической/электронной промышленности значительно возросли в 2015 году на 41%, до 64 600 единиц, установив новый рекорд. Это более чем в два раза превышает объем продаж в 2010 году. Растущий спрос на электронные продукты, а также необходимость автоматизации производства, были движущими факторами для повышения продаж. В 2015 году продажи роботов для машиностроения выросли на 39%. В период с 2010 по 2015 год средний показатель годового прироста составил 26%. Химическая промышленность постоянно увеличивает количество роботов. С 2009 года примерно от 5800 единиц до 17 300 единиц. В период с 2010 по 2015 год объем продаж увеличился в среднем на 14% в год. [3] Диаграмма 3. Количество потребляемых роботов Одним из видов промышленных роботов является современный 3D принтер. В настоящее время это весьма прогрессивная отрасль развития робототехники. 3D принтер предназначен для создания физических объектов путем последовательного накладывания слоев. На сегодняшний день существуют различные модели 3D принтеров, которые способны работать с разными расходными материалами. Независимо от модели все современные 3D принтеры имеют одинаковый принцип работы. Слой за слоем создается физический объект. Кроме этого принтер не совершает ошибок, благодаря чему изделия получаются абсолютно точными и идентичными оригиналу. Приведем несколько примеров 3D печати: • Оружие; • Одежда; • Предметы искусства; • Продукты; • Биопечать; • Протезы; • Мебель; • Ювелирные изделия и т.д. Проведем Обзор российского рынка 3D-печати. Для этого рассмотрим самые популярные модели 3D принтеров российского производства на сегодняшний день. 1) PICASO - самый популярный отечественный бренд 3D-печатающих устройств на российском 3D-рынке. Рис. 2. PICASO Стоимость этих машин можно считать эталонной для российского рынка ввиду их популярности: базовый вариант стоит в районе 120 000 рублей, а версия Pro обойдется в 199 000 руб. [2] 2)Magnum. Бренд компании «Ирвин» - одного из первых и весьма успешных отечественных производителей, чья линейка до сих пор пользуется популярностью. Рис. 3. Magnum Как и PICASO, Ирвин предлагает свою версию 3D-принтера с двойным экструдером, но открытым шасси - Magnum Creative 2 Pro c рекомендуемой розничной ценой в 145 000 руб. [2] 3)ZENIT Рис. 4. ZENIT OOO «Зенит» вполне откровенно указывает, что «анализу были подвержены все российские и зарубежные принтеры, и самое лучшее из них воплощено в ZENIT».. Стоимость устройства аналогична конкурентным предложениям в своем классе - в районе 120 000 рублей. [2] Доля ежегодных доходов (%) от продаж изделий, полученных с помощью 3D печати представлена на диаграмме 4. Диаграмма 4. Доля ежегодных доходов от продаж изделий Диаграмма 5. Сегменты потребителей 3D печати Объем рынка 3D принтеров по отраслям применения в млн. $ представлен на диаграмме 6. Диаграмма 6. Объем рынка 3D принтеров по отраслям применения Учитывая актуальность развития промышленной робототехники, а в частности производства 3D принтеров, мы попробовали разработать принципиально новое устройство, которое будет выполнять стандартные функции 3D печати, но будет иметь совершенно отличную, от обычной, конструкцию, которая позволит выполнять сложные задачи за короткое время. Кроме того, новая модель будет более понятна специалистам, не связанным на прямую с робототехникой и будет более доступной в экономическом плане. Разработанная нами конструкция будет более компактна и эстетична. Проектируемый робот манипулятор будет выполнен на базе микроконтроллера ArduinoUno. Основными преимуществом данного контролера является то, что он сразу готов к использованию. В нем уже есть регулятор питания, микроконтроллер, программатор, интерфейсы для подключения устройств, и программные библиотеки. Если потребителю данного продукта нужно будет изменить что-либо в программном коде, то ему не придется думать о сложном программировании и понадобится только стандартное ПО. В разработанной конструкции будут использованы цифровые серводвигатели. Они обладают значительно лучшими характеристиками, а именно: - более высокая скорость вращения; - большие значения крутящих моментов и меньшие габариты. По сравнению с ближайшими аналогами - шаговыми двигателями, сервоприводы работают с большей скоростью без потери момента и потенциально обеспечивают большую точность за счет обратной связи по положению. Несмотря на то, что сервоприводы дороже шаговых двигателей, их использование существенно повышает характеристики манипулятора. [1] Для изготовления манипулятора будут использоваться легкие металлы и сплавы, а также различные полимеры. В разрабатываемом манипуляторе используется алюминий, так как он достаточно легок, дешев и прост в обработке. Захват манипулятора изготовлен из акрила, что позволяет снизить нагрузку на двигатели и увеличить максимальный вес поднимаемого груза. Захват будет удерживать специальное устройство, разработанное для 3D печати. Основание будет иметь достаточно большие площадь и массу, что позволяет не закреплять манипулятор на рабочей поверхности. В итоге, масса всего устройства составит примерно 3 кг. В итоге, приблизительная стоимость всего устройства составит примерно 350$. Модель робота. Рис.1 - 3D модель робота в SolidWorks На Рисунке 1 можно увидеть, что разрабатываемый манипулятор перемещается в ангулярной (сферической) системе координат, так как движение объекта в пространстве происходит только за счет относительных угловых поворотов звеньев робота. Такая система координат наиболее универсальна и обеспечивает обслуживание наибольшей рабочей зоны (Рисунок 2). Рис. 2. Рабочая зона робота манипулятора, полученная в программе MatLab Таким образом, для выполнения своей главной задачи манипулятор должен обеспечивать перемещение объекта манипулирования в пространстве рабочей области по заданной траектории. Проведя различные анализы, можно прийти к выводу, что степень актуальности представленной разработки очень велика. Так как в последнее время рынок роботов манипуляторов стремительно развивается, и данный проект найдет широкое практическое применение. Кроме того, он имеет наиболее приемлемую цену по сравнению с отечественными аналогами.

Научные конференции

 

(c) Архив публикаций научного журнала. Полное или частичное копирование материалов сайта возможно только с письменного разрешения администрации, а также с указанием прямой активной ссылки на источник.