Декарт против антропоморфа: кто лучше красит?

Декартова координатная система движения (оси X-Y-Z) обеспечивает высокую стабильность и однородность нанесения лакокрасочных материалов. Робот-манипулятор с линейными осями перемещает распылитель по прямолинейным траекториям с постоянной скоростью и на фиксированном расстоянии от поверхности изделия. Это позволяет равномерно нанести покрытие одинаковой толщины по всей площади с постоянством качества финиша. Например, при окраске дверного полотна декартовый робот совершает параллельные проходы с равномерным перекрытием, гарантируя стабильное нанесение от кромки до кромки. Антропоморфному роботу сложнее достичь такой же однородности: его многосоставное движение по дугам и сложным траекториям может приводить к изменению угла и скорости распыления. Малейшие отклонения в ориентации сопла или скорости движения у антропоморфного манипулятора чреваты неравномерной толщиной слоя и дефектами покрытия, особенно на деталях с большими площадями поверхностей.

В отличие от этого, декартовая кинематика по своей природе поддерживает постоянный угол распыла и расстояние до поверхности, что особо важно при окраске плоских панелей, мебельных фасадов и подобных изделий.

Одним из ключевых преимуществ декартовой системы является интуитивно понятное программирование. Движение задаётся в декартовых координатах – по осям X, Y, Z – что совпадает с привычной человеку системой измерения. Программирование такого робота фактически сводится к заданию точек и прямолинейных траекторий в пространстве изделия, аналогично станкам с ЧПУ. Персоналу проще освоить основы управления: оператор видит координаты точек распыления в миллиметрах относительно детали, без необходимости понимать сложную кинематику поворотов суставов. Промышленные декартовые окрасочные установки АРТРОБОТ оснащены дружественными HMI-интерфейсами, позволяющими задавать параметры покрытия (шаг проходов, скорость, расстояние до изделия) без кодирования. Наши последние модели даже предоставляют готовые шаблоны траекторий для типовых форм – например, прямоугольных дверей – или могут автоматически сканировать габариты детали и генерировать путь распыления. Практика показывает, что обучение оператора работе с таким оборудованием занимает минимум времени: интерфейсы новых декартовых окрасочных роботов интуитивны, а начальное обучение короткое.

Гибкость в контексте робототехники имеет два аспекта: способность охватывать сложные формы/области и способность быстро переключаться между различными задачами или изделиями. Антропоморфные роботы выигрывают по первому аспекту – их шестисоставная «рука» может ориентировать инструмент под любым углом и добраться до труднодоступных зон. Это необходимо при окраске изделий сложной 3D-формы: например, корпусов автомобилей, стульев замысловатой формы. В таких случаях только многозвенный манипулятор способен обеспечить полное покрытие. Однако в нашем рассматриваемом диапазоне задач – двери, детали мебели, ящики, столешницы и слесарные изделия – столь высокая пространственная гибкость не требуется. Эти изделия имеют относительно простую форму (плоскости, прямые кромки), и декартовой системе достаточно 3–5 осей (X, Y, Z + возможно поворот краскораспылителей), чтобы полностью их покрыть. Иными словами, дополнительная свобода движений антропоморфного робота просто не используется, а оборачивается лишними затратами и сложностью.

По второму аспекту – быстрота переналадки под новый продукт – декартовые роботы выигрывают. В условиях единичного или мелкосерийного производства, где часто меняются размеры и типы окрашиваемых деталей, важно минимизировать время перепрограммирования. Простейший случай: на одной линии сегодня красят дверцы одного размера, завтра – другого. В декартовом роботе достаточно подправить пару параметров (например, ширину и высоту полотна) или же система сама считает габариты новой детали с помощью 3D-сканеров, после чего автоматически скорректирует траекторию распыления. Переналадка сводится к вводу размеров либо выбору заранее настроенного шаблона – это минуты работы. Антропоморфному же роботу при смене изделия часто требуется новое обучение траектории: либо оператор вручную проводит его «руку» вдоль образца, либо инженер офлайн-программирует путь по 3D-модели. В любом случае это дольше и сложнее, особенно если форма изделия новая.

Индустриальные роботы обеих конфигураций рассчитаны на высокую повторяемость движений и позиционирования – обычно погрешность не превышает долей миллиметра. Тем не менее, конструктивные особенности дают декартовым роботам преимущество в достижении максимально точного и воспроизводимого движения распылителя. Их оси жестко линейно связаны с основанием, и перемещение по каждой из них практически не влияет на другие координаты. Такое частичное декоуплирование приводит к тому, что суммарная ошибка позиционирования легко контролируется и компенсируется по осям раздельно. Механическая конструкция портального типа очень жесткая: массивная рама, прочные линейные направляющие, минимум подвижных сочленений. Благодаря этому снижаются вибрации и прогибы, а повторяемость траектории от цикла к циклу получается чрезвычайно высокой. Декартовый робот из раза в раз пройдет строго по одной и той же траектории над изделием, нанося краску с идентичным перекрытием. Это критично для обеспечения одинакового качества покрытия на каждой детали, особенно в серийном производстве дверей или фасадов, где заказчик ожидает единообразия партии.

Благодаря вышеперечисленным факторам декартовые роботы показывают более стабильное качество покрытия различных не пространственных изделиях по сравнению с антропоморфными. Равномерность слоя ЛКМ обеспечивается поддержанием постоянных параметров процесса – угла, дистанции и скорости распыления. В декартовой системе эти параметры легче удерживать неизменными в ходе всего цикла окрашивания. Например, распылительная головка может быть жестко зафиксирована под оптимальным углом к поверхности (обычно перпендикулярно), и, двигаясь по осям X-Y, она всегда “смотрит” строго вниз на панель на одинаковом расстоянии. В результате материал наносится равномерно, что повышает покрывную способность и однородность цвета. Антропоморфный робот вынужден постоянно изменять ориентацию сопла при движении по сложной траектории, и без точнейшей программной компенсации это может привести к вариациям угла распыла, а значит – к неодинаковому покрытию. Опыт показывает, что при ручном программировании 6-осевого робота велика вероятность где-то пройти быстрее, где-то ближе/дальше от поверхности, что сказывается на качестве ЛК-плёнки. Декартовый же робот в стандартных условиях двигается равномерно и параллельно детали, исключая такие вариации.

Исследования и практика компаний-интеграторов подтверждают: удержание постоянной скорости и дистанции распыления непосредственно оптимизирует расход материала и обеспечивает стабильное качество с первого до последнего изделия партии.

Мировая практика подтверждает указанные преимущества. В США в последние годы заметен рост интереса производителей к декартовым (портальным) роботам после периода увлечения универсальными шестикоординатными машинами. Как отмечает, например, Bosch Rexroth, многие клиенты осознали, что далеко не каждой задаче окраски требуется 6 степеней свободы, и потому возвращаются к более простым и надёжным координатным роботам. В американской промышленности ценят их высокую надёжность, точность и предсказуемость в работе, а также низкую сложность интеграции. Отраслевые обзоры подчёркивают, что декартовые системы выигрывают по простоте программирования и меньшей стоимости при сопоставимых задачах, а также могут нести большие нагрузки (например, "ветку" множеством распылительных головок) без усложнения конструкции.

Производитель робототехники Festo также указывает, что в большинстве типовых приложений (в том числе нанесение покрытий) достаточно 3–4 осей, и использование избыточно сложных роботизированных рук лишь повышает расходы без улучшения результата. Этот сдвиг в мышлении подтверждается практикой интеграторов: всё чаще на покрасочных участках для крупногабаритных плоских изделий в США ставят портальные решения, оставляя антропоморфные роботы для действительно сложных объектов.

В Европе подобный подход применялся уже давно, особенно в мебельной и деревообрабатывающей отрасли. Известные европейские производители окрасочного оборудования (Италия, Германия) традиционно предлагают высокопроизводительные установки портального типа для отделки мебельных панелей, дверей, паркетных досок и т.д. Например, итальянская компания Cefla Finishing, один из лидеров в этой сфере, отмечает, что их декартовый двурукий робот iBotic специально разработан под нужды гибкого малосерийного производства и обеспечивает непревзойдённую однородность покрытия на панелях при высокой скорости работы. В то же время Cefla продолжает выпускать и антропоморфные системы (типа iGiotto) для тех случаев, когда требуется покрытие сложнопрофильных изделий – фактически подтверждая, что каждый тип робота хорош в своей нише. Европейские пользователи – мебельные фабрики, производители дверей – в отзывах акцентируют преимущество декартовых окрасочных линий в стабильности результата и простоте обслуживания по сравнению с 6-осевыми роботами предыдущего поколения. Также важен для них фактор обучения: быстрее подготовить персонал и запустить линию в работу означает быстрее получить отдачу от инвестиций. Этот критерий декартовые решения выполняют: как отмечает специалист компании Rollon, обслуживание порталов почти всегда по силам внутренним техническим службам предприятия, тогда как сложные роботы требуют дорогого внешнего сервисного участия.

Таким образом, в Европе сложился баланс: антропоморфные роботы применяются главным образом там, где без них не обойтись (автостроение, сложная 3D-продукция), а в отделке плоских деревянных изделий господствуют проще устроенные и более экономичные декартовые комплексы.

Декартовые роботы являются оптимальным решением для покраски и лакировки дверей, мебельных фасадов, деталей и столярных изделий благодаря высокой точности, повторяемости и стабильности нанесения ЛКМ. Они проще в программировании, быстрее перенастраиваются, дешевле в обслуживании и лучше адаптированы под серийное и штучное производство с частой сменой изделий. Международный опыт подтверждает: при работе с плоскими или типовыми изделиями декартовая система обеспечивает более предсказуемый результат при меньших затратах по сравнению с антропоморфными роботами.