Роботизированные технологические комплексы

Лекция 8

Роботизированные технологические комплексы

1. Основные термины и определения робототехники

   

        Терминологию в области робототехники устанавливает ГОСТ 25686-85 «Манипуляторы, автооператоры и промышленные роботы. Термины и определения».

        Манипулятор - управляемое устройство или машина для выполнения двигательных функций, аналогичных функциям руки человека при перемещении объектов  в пространстве, оснащенное рабочим органом.

        Автооператор - автоматическая машина, состоящая из исполнительного устройства в виде манипулятора или совокупности манипулятора и устройства передвижения и неперепрограммируемого устройства управления.

        Промышленный робот - автоматическая машина, стационарная или передвижная, состоящая из исполнительного устройства в виде манипулятора, имеющего несколько степеней подвижности, и перепрограммируемого устройства программного управления для выполнения в производственном процессе двигательных и управляющих функций.

        Исполнительное устройство - устройство, выполняющее все двигательные функции.

Рекомендуемые материалы

        Рабочий орган - составная часть исполнительного устройства для непосредственного выполнения технологических операций и (или) вспомогательных переходов. Примерами рабочих органов могут служить сварочные клещи, окрасочный пистолет, сборочный инструмент, захватное устройство.

       Важной характеристикой ПР является тип системы управления. Стандартом определены следующие типы систем управления промышленными роботами.

       Цикловое управление    -    управление     исполнительным устройством         промышленного      робота,      при      котором осуществляется программирование последовательности выполнения его движения.

       Цикловое управление применяется для ПР, выполняющих несложные вспомогательные операции по обслуживанию технологического оборудования при простых повторяющихся циклах движений.

        Для роботов с цикловым управлением характерны относительно высокая точность позиционирования, простые алгоритмы управления, невысокая стоимость, но малый объем информации управляющих программ и низкие функциональные возможности.

         Позиционное управление - управление исполнительным устройством промышленного робота, при котором движение его рабочего органа происходит по заданным точкам позиционирования без контроля траектории движения между ними.

         Позиционное программное управление широко применяют в самых различных ПР, т.к. оно отличается более высокой универсальностью и гибкостью, возможностью автоматической отработки циклов движений  с тысячами  точек  позиционирования. В устройствах позиционного управления реализуются алгоритмы перемещений рабочих органов «от точки к точке» с автоматическим разгоном и торможением.

      Контурное управление - управление исполнительным устройством промышленного робота, при котором движение его рабочего органа происходит по заданной траектории с установленным распределением во времени значений скорости.

      Многие роботизированные производственные операции (сварка, окраска, сборка, снятие заусенцев и др.) требуют контурного управления. При автоматизации таких технологических процессов ПР обычно представляет собой единицу основного технологического оборудования, выполняющего операции по изменению качественных характеристик изделий. При контурном управлении реализуется непрерывная отработка перемещений рабочего органа ПР по двум и более координатам одновременно.

        Адаптивное управление - управление исполнительным устройством промышленного робота с автоматическим изменением   управляющей  программы  в функции от контролируемых параметров состояния внешней среды.

         ПР с адаптивным управлением оснащены устройствами очувствления (системами технического зрения, сенсорными устройствами и пр.) для получения информации об окружающей среде, предмете производства и состоянии механизмов робота. Они выполняют сложные операции в условиях с заранее неизвестными изменениями производственной ситуации, к которым должны приспосабливаться. Примером является операция дуговой сварки, при выполнении которой необходим поиск места стыка свариваемых деталей, а затем движение вдоль стыка при определенных ориентации и расстоянии электрода относительно стыка.

          Стандарт дает определения характеристикам, во многом определяющим технологические возможности промышленных роботов.

        Номинальная грузоподъемность - наибольшее значение массы предметов производства или технологической оснастки, включая массу захватного устройства, при которой гарантируется   их   удержание   и   обеспечение   установленных значений эксплуатационных характеристик.

        Рабочее пространство - пространство, в котором  может находиться исполнительное устройство при функционировании манипулятора (автооператора, промышленного робота).

        Рабочая зона -  пространство, в котором  может находиться рабочий орган при функционировании манипулятора (автооператора, промышленного робота).

        Зона обслуживания -  пространство, в котором рабочий орган выполняет свои функции в соответствии с назначением  манипулятора (автооператора, промышленного робота) и установленными значениями их характеристик.

       Погрешность позиционирования рабочего органа - отклонение положения рабочего органа манипулятора (автооператора, промышленного робота) от заданного управляющей программой.

         Погрешность отработки траектории рабочего органа - отклонение траектории  рабочего органа  промышленного робота от заданного управляющей программой.

2. Структура РТК

        Роботизированный технологический комплекс (РТК) представляет совокупность технологического оборудования, промышленного(ых) робота(ов) и средств оснащения, автономно функционирующую и осуществляющую многократные циклы.

       К средствам оснащения относятся: устройства накопления, ориентации и поштучной выдачи предметов производства, средства контроля и измерения, устройства межоперационного транспортирования, система управления и др.

      Разработка структуры РТК включает определение качественного и количественного состава основного технологического и вспомогательного оборудования, дополнительных средств оснащения, составление алгоритма работы, построение циклограммы и определение производительности.

      Существуют три базовые структурные разновидности роботизированных технологических комплексов:

1. РТК, образованные на основе единицы технологического оборудования, промышленного робота и вспомогательных устройств, где ПР осуществляет загрузку-разгрузку оборудования .

2. РТК, состоящие из группы технологического оборудования, вспомогательных устройств и одного или нескольких ПР, которые кроме загрузки-разгрузки оборудования осуществляют межоперационное транспортирование изделий.

3. РТК, в которых ПР кроме вспомогательных операций выполняют ряд технологических, таких, как сборка, окраска распылением и т.д.

          В зависимости от сочетания количества ПР и обслуживаемого технологического оборудования различают три разновидности РТК:

· однопозиционные, в которых один ПР обслуживает единицу технологического оборудования;

· групповые, включающие один ПР, который обслуживает группу однотипного или разнотипного технологического оборудования;

· многопозиционные, включающие группу роботов, выполняющих взаимосвязанные или взаимодополняющие функции по обслуживанию одной или нескольких единиц технологического оборудования (например, один ПР выполняет заливку металла в машину литья под давлением, а другой снимает готовые отливки).

       По организационному признаку роботизированные системы разделяются на роботизированные технологические линии (РТЛ), в которых оборудование располагается в последовательности выполнения технологических операций, и роботизированные технологические участки (РТУ), в которых       предусматривается возможность изменения последовательности использования оборудования.

       По виду планировочных схем различают одностаночные и многостаночные РТК с линейным, линейно-параллельным, круговым и комбинированным расположением оборудования.

     В линейных компоновках используются ПР напольного или подвесного типов. Компоновки с подвесными роботами занимают минимальную производственную площадь, обеспечивают удобное обслуживание трех и более станков, безопасные условия труда.

         В линейно-параллельных компоновках обычно один ПР (чаще всего напольного типа) обслуживает две единицы технологического оборудования.

      Отличительной особенностью круговых схем является применение напольного ПР, обслуживающего несколько единиц технологического оборудования. При компактном расположении оснащения одновременно усложняется техническое обслуживание и ремонт.

    Конкретный состав и структура роботизированных комплексов    определяются    содержанием    производственного процесса; номенклатурой и конструктивно-технологическими параметрами изделий, программой их выпуска, составом технологического оборудования, организацией подсистем обслуживания, контроля, управления и др.

3. Выбор промышленных роботов

      Технологические возможности ПР определяются рядом показателей: номинальной грузоподъемностью, типом системы управления, геометрическими, скоростными и точностными характеристиками.

       Как и при выборе станков, целесообразность применения того или иного ПР в производственных условиях определяется учетом ряда требований:

1. Соответствие грузоподъемности ПР массе объекта манипулирования. С учетом массы захватного устройства грузоподъемность робота должна превышать массу объекта не менее чем на 10 %.

2. Соответствие технологических возможностей ПР, определяемых во многом видом системы управления, содержанию необходимых манипуляций с объектом.

3. Соответствие числа степеней подвижности ПР минимально необходимому их числу для выполнения требуемых операций. Обычно число степеней подвижности - 2 - 4, если на робот не накладывают дополнительных функций. Число степеней подвижности определяется содержанием манипуляционных действий, размерами и расположением рабочих зон обслуживаемого оборудования и его количеством, а также рядом других факторов.

4. Соответствие размеров рабочей зоны ПР размерам, форме и расположению рабочих зон обслуживаемого оборудования.

5. Соответствие скоростей перемещения рабочих органов ПР требуемой производительности; соответствие погрешности позиционирования ПР требованиям по точности выполнения основных или вспомогательных операций.

6. Простота и краткость цикла переналадки, конструктивной и программной стыковки с другими подсистемами ГПС, надежность, экономичность.

4.  Захватные устройства ПР

       Захватные устройства (ЗУ) промышленных роботов служат для захвата и удержания в определенном положении объектов манипулирования. Промышленные роботы могут комплектоваться набором типовых ЗУ. Расширение возможностей промышленных роботов непосредственно связано с возможностью быстрой переналадки захватных устройств, т.е. гибкость ПР в значительной мере определяется гибкостью захватных устройств.

   К ЗУ предъявляются общие требования по надежности захвата и удержания объекта во время разгона или торможения подвижных элементов ПР, точности и стабильности базирования объекта, недопустимости повреждения или разрушения объекта. К ЗУ для роботов, работающих в условиях гибкого автоматизированного производства, дополнительно предъявляются  требования  по  возможности  захвата изделий в широком диапазоне формы, размеров и массы, легкости и быстроте замены ЗУ (вплоть до автоматической смены).

      Захватные устройства состоят из привода, передаточного механизма и захватных элементов (пальцев или губок).

      Приводы захватных устройств подразделяются на пружинные, пневматические, гидравлические, электромеханические, электромагнитные, магнитные, вакуумные. Наибольшее распространение в захватных устройствах нашел пневматический привод, отличающийся простотой конструкции, удобством подвода энергии, легкостью регулирования, возможностью использования в зоне высоких температур. Недостаток - большие габариты при сравнительно малых силах из-за низкого давления сжатого воздуха (0,4 - 0,5 МПа), поэтому пневматические приводы используются для захвата заготовок малых и средних размеров.

   Передаточные механизмы обычно выполняют функции механизмов-усилителей, способных увеличить силу, развиваемую приводом. Передаточные механизмы подразделяются на клиновые, рычажные, кулачковые, реечные и т.п.  

   По типу захватов ЗУ подразделяются на механические, магнитные, вакуумные, с эластичными камерами.

   Конструкция ЗУ определяется формой, размерами, массой и свойствами объекта, а также специфическими требованиями технологического процесса. По числу рабочих позиций различают одно - и многопозиционные ЗУ. Для обслуживания металлорежущих станков целесообразно использование двухпозиционных ЗУ, обеспечивающих совмещение вспомогательных переходов с работой станка.

   По рабочему диапазону ЗУ делятся на узкодиапазонные с ограниченным диапазоном размеров захватываемых поверхностей (обычно выполняются на базе клиновых и рычажных механизмов) и широкодиапазонные, которые основаны на использовании реечных, рычажных и тому подобных  механизмов.

      Важным признаком, во многом определяющим гибкость роботизированного процесса, является характер крепления ЗУ к руке робота.

      Несменяемые ЗУ предназначены для взаимодействия с одним определенным объектом, не требуют переналадки и характерны для крупносерийного производства. В качестве несменяемых ЗУ применяют специализированные широкодиапазонные устройства, предназначенные для захвата сходных по конфигурации и близких по размерам заготовок. Во многих случаях для захвата заготовок применяют несменяемые захватные устройства со сменными захватными элементами (губками). Сменные элементы крепятся к захватному устройству винтами.

     Сменные ЗУ применяют в серийном производстве при изготовлении изделий большими партиями.  Наибольшее распространение получило фланцевое крепление ЗУ к руке робота, имеющей центральное центрирующее и несколько резьбовых отверстий. Такая конструкция позволяет размещать часть элементов ЗУ (например, привод рабочего органа) внутри руки робота.

  Быстросменные ЗУ применяют в мелкосерийном производстве при обработке изделий небольшими партиями и рассчитаны на быструю замену устройств в течение 0,1 мин. посредством байонетного замка.   

 Автоматизированные ЗУ применяются в много-номенклатурном производстве и могут быть автоматически переналаживаемыми и автоматически заменяемыми. Для хранения сменных ЗУ могут быть использованы магазины стационарного, подвижного и комбинированного типов.

5. Проектирование РТК

Вся работа по роботизации может быть разбита на ряд последовательно выполняемых этапов:

1. Постановка задачи.

2. Сбор и анализ исходных данных.

3. Разработка технологических процессов.

4. Выбор и проектирование средств технологического оснащения.

5. Оценка производительности и эффективности РТК.

Работа по созданию РТК начинается с уточнения общей цели и задач, решаемых при применении ПР.

      Применение ПР в производственном процессе может быть направлено на:

· повышение производительности труда (увеличение выпуска продукции без увеличения количества рабочих, занятых на основных и вспомогательных операциях);

· сокращение трудовых затрат (за счет роста производительности труда, устранения организационных и технических потерь);

· повышение качества изделий;

· улучшение условий работы и повышение безопасности труда.

Реализация каждого из перечисленных направлений необязательно связана с повышением показателей по всем направлениям. Достижение одной из поставленных целей, например, улучшение условий безопасности работы, может быть сопряжено с увеличением трудовых затрат и ростом себестоимости продукции. Поэтому в каждом конкретном случае следует установить приоритет задач, подлежащих решению.

Источниками получения необходимых сведений могут быть: технологический процесс, конструкторская документация, технические паспорта оборудования, оснастки, транспортных средств, планировки зданий и сооружений, годовые перспективные планы производства, планы технического перевооружения, нормативно-технические документы, системы оперативно-календарного планирования, трудовые ресурсы, данные по расстановке рабочих и выполняемым ими функций, текучести кадров.

Во время сбора исходных данных осуществляется получение материалов по технологическим процессам, расчету производственных мощностей, составу оборудования. Составляется перечень деталей, обрабатываемых на обследуемом участке с указанием всех необходимых данных по сложности, материалу, массе, трудоемкости изготовления, виду технологической операции.

Для социологического обследования собираются данные о нехватке рабочей силы, дефицитных профессиях, характере и условиях работы.

Для проведения анализа устанавливается характеристика данного производства, а именно:

1. Тип производства (массовое, серийное, единичное).

2. Организационные методы производства (поточное, непоточное, одно- и многопредметное).

3. Характер перемещения деталей, по технологическому процессу (непрерывный, прерывистый).

4. Специфические особенности производства (вредные условия труда, обработка специальных материалов и пр.).

Анализ и классификация деталей сводится к определению номенклатуры деталей, подлежащих обработке на РТК. С целью выбора деталей необходимо произвести их классификацию по различным признакам. Главными признаками является геометрическая форма и размеры деталей. Кроме того, существует технологическая классификация деталей, при которой основным признаком является общность технологического процесса обработки.

Классификация деталей позволяет произвести отбор и группирование деталей по конструктивно-технологическим признакам для их обработки на РТК. В результате обеспечивается типизация технических и организационных решений при создании РТК.

Детали должны иметь:

а) возможность группирования по конструктивно-технологическим признакам с целью обеспечения применения групповой формы организации производственных процессов, типизации технологических процессов и использования одинакового основного и вспомогательного оборудования;

б) ясно выраженные базы и признаки ориентации, позволяющие организовать транспортирование и складирование заготовок в ориентированном виде с использованием стандартизованной оснастки;

в) однородные по форме, расположению и размерам поверхности для базирования и ориентации, позволяющие без дополнительной выверки устанавливать детали в рабочую зону оборудования, где для их базирования и закрепления может быть использована широкоуниверсальная технологическая оснастка.

     По каждой группе деталей устанавливаются детали - представители, обработка которых требует наибольшего количества основных и вспомогательных операций, характерных для деталей этой группы. Применительно к деталям - представителям производится разработка технологического процесса.

Анализ технологических процессов сводится к рассмотрению маршрутов, видов операций, технологических баз, способов установки деталей, характеристик применяемого оборудования. Анализу подвергается либо весь технологический процесс, либо отдельные его этапы и даже операции.

В результате анализа существующего ТП должны быть определены:

1. Неиспользованные резервы и узкие места, потери, возникающие   вследствие технических и организационных недостатков.

2. Состав технологического оборудования и требования по его модернизации, либо замене новыми моделями.

3. Специфические особенности существующего процесса, от которых зависит повышение его эффективности.

4. Пути изменения организационной структуры производства.

5. Пути усовершенствования технологических процессов обработки, механизации и автоматизации отдельных операций.

6. Средства механизации и автоматизации труда, повышающие производительность.

7. Количество основных и вспомогательных производственных рабочих, участвующих в производственном процессе.

8. Планировка и размеры производственных площадей.

9. Методы контроля детали.

10. Характеристика отходов обработки и методов их удаления.

Как правило, существующий технологический процесс при создании РТК нуждается в корректировке либо коренном изменении с целью:

1) максимальной концентрации операций, в результате чего сокращается число станков, обслуживающих ПР и рабочих-операторов;

2) типизации и группового построения технологических операций по обработке деталей группы;

3) максимального использования быстропереналаживаемого автоматизированного оборудования, преимущественно с ЧПУ;

4) механизации и автоматизации как основных, так и вспомогательных операций (мойки, контроля, слесарной обработки и т.п.).

Оборудование, входящее в РТК, по возможности должно быть однотипным, что упрощает комплекс и удешевляет его эксплуатацию. При технологической проработке комплекса необходимо оценить, можно ли использовать действующее оборудование в новых условиях. Для этой цели производится оценка физического состояния оборудования и его технических показателей (производительности, точности, возможности модернизации для обеспечения стыковки с ПР и другими средствами автоматизации).

Станки, входящие в комплекс, должны обеспечивать:

Бесплатная лекция: "Поведение при конфликте" также доступна.

· автоматический цикл обработки деталей;

· автоматизацию фиксации и зажима детали;

· удаление стружки из зоны обработки;

· возможность очистки установочных элементов приспособлений от стружки и грязи;

· удобное расположение и размеры рабочей зоны для обслуживания с помощью ПР;

· автоматизацию ограждения рабочей зоны.