книги / Технология, машины и оборудование машиностроительного производства

ривасмых изделий. Эти линии применяют при массовом выпуске малога­ баритных изделий, изготовляемых на полуавтоматах или автоматах, вы­ полняющих одинаковый объем операций.

12.4.Использование гибких производственных систем

впроизводстве сварных конструкций

Характерной особенностью современного машиностроительного производства является стремление к созданию гибких производственных комплексов на основе безлюдной технологии, то есть без участия или с ми­ нимальным участием человека. При этом комплексы должны успешно функционировать в условиях многономенклатурного серийного производ­ ства и обладать гибкостью, т.е. возможностью быстро перестраиваться на изготовление новых деталей в пределах технических возможностей обору­ дования комплекса.

Гибкая производственная система (ГПС) (ГОСТ 26228-85) - это сово­ купность оборудования с ЧПУ в разных сочетаниях, роботизированных технологических комплексов (РТК), гибких производственных модулей (ГПМ), отдельных единиц технологического оборудования и систем обес­ печения их функционирования в автоматическом режиме в течение задан­ ного интервала времени.

Составными частями ГПС являются роботизированный технологиче­ ский комплекс (РТК) и гибкий производственный модуль (ГПМ).

ГПМ - это единица технологического оборудования для производ­ ства изделий произвольной номенклатуры в установленных пределах зна­ чений их характеристик с программным управлением, автономно функцио­ нирующая, автоматически осуществляющая все функции, связанные с их изготовлением, имеющая возможность встраиваться в ГПС.

Роботизированный технологический комплекс (РТК) - это совокуп­ ность единицы технологического оборудования, промышленного робота и средств оснащения, автономно функционирующая и осуществляющая мно­ гократные циклы.

По организационным признакам различают следующие виды ГПС: гибкая автоматизированная линия (ГАЛ), гибкий автоматизированный участок (ГАУ), гибкий автоматизированный цех (ГАЦ).

ГАЛ - это ГПС, в которой технологическое оборудование располо­ жено в принятой последовательности технологических операций.

ГЛУ представляет собой ГПС, функционирующую по технологи­ ческому маршруту, в котором предусмотрена возможность изменения по­ следовательности использования технологического оборудования.

Технологическая линия с применением робота представляет собой со­ вокупность РТК, связанных между собой транспортными средствами и си­ стемой управления, или нескольких единиц технологического оборудова­ ния, обслуживаемых одним или несколькими промышленными роботами для выполнения операций в принятой технологической последовательности. Пели же в этой совокупности возможно изменение последовательности ис­ пользования технологического оборудования, то она будет представлять собой роботизированный технологический участок.

ГАЦ - это ГПС, представляющая собой в различных вариантах со­ вокупность ГАJI, роботизированных технологических линий, ГАУ, робо­ тизированных технологических участков для изготовления изделий задан­ ной номенклатуры.

Система обеспечения функционирования ГПС - это совокупность в общем случае взаимосвязанных автоматизированных систем, обеспечи­ вающих проектирование изделий, технологическую подготовку производ­ ства, управление гибкой производственной системой с помощью ЭВМ и автоматическое перемещение предметов производства и технологической оснастки.

В общем случае в систему обеспечения ГПС входят: автоматизирован­ ная транспортно-складская система (АТСС); автоматизированная система инструментального обеспечения (АСИО); система автоматизированного контроля (САК); автоматизированная система удаления отходов (АСУО); автоматизированная система управления технологическими процессами (АСУТП); автоматизированная система научных исследований (АСНИ); система автоматизированного проектирования (САПР); автоматизиро­ ванная система технологической подготовки производства (АСТПП); ав томатизированная система управления (АСУ) и тд.

Главной особенностью ГПС является ее высокая гибкость, которая позволяет:

- осуществлять обработку изделий различных конфигураций устано­ вленной группы, при различных размерах операционных партий, че­ редующихся в любом порядке (после партии в 50 шт. может обрабатываться партия 1-2 шт., затем 200 и тд.);

- нарушать прямолинейность перемещения обрабатываемых изделий внутри технологического комплекса и возвращать их для последующей об­ работки на станки, на которых выполняли первоначальные операции, это

сокращает общее число потребных станков;

прекратить (в любой момент) изготовление основной продукции и в короткий срок с минимальными затратами приступить к выпуску новой продукции (в условиях серийного многономенклатурного производства).

Основная цель создания ГПС состоит в том, чтобы обеспечить авто­ матические непрерывные принципы поточного производства при серий­ ном выпуске продукции всегда готовой быстро и безубыточно прекратить изготовление одной продукции, в короткий срок приступить к выпуску но­ вых изделий. 'Это важнейшая особенность производства, называется гиб­ костью, означает легкую приспосабливаемостъ производства к удовлетво­ рению потребностей выпускать требуемую номенклатуру продукции путем смены управляющих программ, с сохранением оборудования и оснащения.

Примером эксплуатируемых в сварочном производстве ГПС являют­ ся 'Талка-500", 'Талка 500-800". Эти ГПС предназначены для изготовления любых корпусных сварных изделий из любых конструкционных материа­ лов (рис. 59).

Рис. 59. Схема ГПС типа 'Талка 500-800": 1 - участок сборки установочных приспособ­

ляющая ЭВМ; 7, 8,10 - технологическое оборудование; 9 - система удаления отходов; 11 - транспортная система ТС-500

Следует отметить, что ГПС относительно дороги. Однако, если при экономическом сравнеННи производств учитывать, кроме экономии прямых затрат, экономию компонентов косвенных затрат, можно сделать вывод, что применение ГПС выгодно и эффективно.

Полную ежегодную экономию косвенных затрат подсчитывают как сумму отдельных составляющих, входящих в эти затраты; эти составляющие представляют собой сокращение следующих расходов: по обслуживанию и содержанию оборудования; на содержание и эксплуатацию изнашиваемого инструмента; по подготовке управляющих программ на контрольные опе­ рации; за счет сокращения брака; за счет сокращения незавершенного про­ изводства и заделов; за счет сокращения межоперационной транспорти­ ровки.

13. УСТРОЙСТВО И ПРИМЕНЕНИЕ ПРОМЫШЛЕННЫХ РОБОТОВ ДЛЯ СВАРКИ

Автоматизация и механизация технологических процессов потребова­ ла появления принципиально новых средств производства роботов.

Как это ни парадоксально, автоматизация промышленного производ­ ства до последнего времени охватывала наиболее сложные аспекты техно­ логии, связанные с непосредственным выполнением технологических опе­ раций. Простые операции, состоящие в том, чтобы что-то взять, перенести, установить или привести в действие установку в нужный момент, поддава­ лись автоматизации с большим трудом.

Эти несложные, но монотонные и утомительные операции выполня­ лись вручную. Именно для этих операций и разработан промышленный робот, способный взять на себя ряд производственных задач, являвшихся уделом человека.

В настоящее время происходит замена роботов первого поколения с жесткой программой действия и отсутствием обратной связи с окружающей средой на роботы второго поколения. Роботы второго поколения ("очувствленные") обладают координацией движения с восприятием, при­ годны для полуквалифицированного труда при изготовлении изделий.

Ведутся поиски путей создания роботов третьего поколения с ис­ кусственным интеллектом, которые откроют возможность полной замены человека в области квалифицированного ручного труда.

Робот - это автомат, созданный для выполнения работы, орудие про­ изводства, действующий на принципах ручной работы человека, который может быть обучен.

Промышленный робот имеет "руку" и "кисть", которые обладают свободой пространственных перемещений, в какой-то степени имитируя ру­ ку человека. Для программирования промышленного робота не требуется предварительных расчетов и кодировки данных, он обучается в течение од­

норазового цикла движений и выполняет эти движения до переобучения. По эффективности действия робот не уступает специализированным авто­ матам, но в отличие от них легко переводится на выполнение новой рабо­ ты. Новая работа может отличаться как характером движений, так и сферой применения. То есть при смене его захватывающего устройства робот может обслуживать различное оборудование: пресс, ковочную машину, станок, конвейер и тд.

'>го свойство (универсальности) промышленных роботов делает вы­ годным его применение как в крупносерийном, так и серийном и мелкосе­ рийном производстве.

Всравнении с человеком робот обладает большими силовыми воз­ можностями, его можно использовать в корродирующей или сильнозапыленной атмосфере, вредной для человека. Он может работать с раскален­ ными или сильно охлажденными деталями, в условиях повышенной ра­ диации и травмоопасных условиях, а также на операциях, требующих от человека повышенного внимания, где ошибка приводит к серьезным поте­ рям в производстве.

Кроме того, робот обеспечивает стабилизацию качества продукции, уменьшение брака, так как он не страдает от монотонности или усталости, благодаря исключению перерывов, он повышает коэффициент использова­ ния основного технологического оборудования. Устраняются такие факто­ ры, как травматизм, профессиональные заболевания, текучесть кадров.

Применение промышленных роботов может вести к сокращению площадей и объемов производственных участков, снижение затрат на освещение, вентиляцию и тд. (других затрат, связанных с созданием рабо­ чих условий для человека).

Эти преимущества обеспечивают перспективность массового внед­ рения промышленных роботов в различные отрасли производства. По ста­ рым планам к 2000 году в нашей стране только в сварочном производстве должно было использоваться несколько десятков тысяч роботов.

13.1.Общая характеристика промышленного робота

Внастоящее время существует несколько сот типов разнообразных

промышленных роботов - от миниатюрных, способных перемещать дета­ ли весом в несколько граммов на расстояние, измеряемое сантиметрами, до гигантских, позволяющих оперировать с нагрузками в сотни килограммов на дистанции нескольких метров.

Конструктивно промышленный робот является комплексным устрой­ ством, состоящим из механической части, системы приводов, системы управления и силового оборудования (рис. 60).

Рис. 60. Структурная блок-схема промышленного робота

Механическая часть (МЧ) предназначена обеспечить перемещение ра­ бочего органа с нагрузкой.

Механическая часть представляет собой манипулятор, имеющий несколько степеней свободы, укрепленный на неподвижном или подвиж­ ном основании. Его конфигурация и габариты определяются видом и осо­ бенностями технологического процесса, для которого он предназначен.

Манипулятор состоит из независимо перемещающихся механизмов (ИО| - ИОп), каждый из которых снабжен собственным приводом (П1 - Пп). Привод по каждой из координат робота обеспечивает силовое воздействие па соответствующий механизм, позволяя реализовать задаваемое переме­ щение, согласно сигналам, поступающим от устройства управления (УУ).

Устройство управления имеет несколько функций. Его основные зада­ чи: управлять автоматическим действием робота, обеспечивать связь с об­ служиваемым оборудованием и осуществлять программирование при обу­ чении.

В режиме автоматической работы УУ выдает командные сигналы на систему приводов робота по информации запоминающего устройства (ЗУ). Блок синхронизации обеспечивает согласование сигналов, поступающих от внешнего оборудования с внутренними командами. Выносной пульт (ВР) служит для управления манипулятором в процессе обучения. СО - силовое оборудование служит для обеспечения функционирования робота.

13.2. Манипулятор промышленного робота

Манипулятор является исполнительным органом робота. Он пред­ ставляет собой многозвенный пространственный механизм с разомкнутой кинематической цепью и сложно взаимодействующими звеньями и пред­ назначен для осуществления управляемых движений рабочего органа. Ра­ бочим органом робота, выполняющего транспортные операции, служит схват - механическое захватывающее устройство, вакуумный присос или электромагнит. Рабочим органом робота, выполняющего технологические операции, является соответствующий инструмент. Конструкция манипу­ лятора определяет возможности и свойства промышленного робота. Ис­ полнительный орган робота должен подобно руке человека перемещать нагруженный схват или иной инструмент в некоторую точку пространства и фиксировать его определенным образом. При этом важны такие факторы, как величина обслуживаемого пространства, занимаемого самим роботом, точность выхода в заданную точку, скорость перемещения, допускаемая величина нагрузки и так далее.

Конструкция механических узлов промышленного робота выбирает­ ся исходя из противоречивых требований грузоподъемности и значитель­ ной скорости движения, большой зоны обслуживания и высокой жесткости, достаточной точности, а также малых габаритов.

Для размещения объекта в заданной точке трехмерного пространства достаточно осуществить перемещение по трем независимым координатам.

Манипулятор с тремя степенями свободы пригоден для транспортиро­ вания объектов, не требующих ориентации, например неаров. Чтобы сориентировать перемещаемый объект надлежащим образом, требуется еще три степени свободы. Возможность совершать независимые движения по шести координатам принципиально обеспечивает необходимые для про­ мышленного робота манипуляции. Для сравнения - рука человека имеет 27 степеней свободы.

Увеличение числа степеней свободы свыше шести придает манипуля­ тору ценное свойство маневренности, обеспечивает возможность переме­ щения рабочего органа при наличии препятствий.

Однако увеличение числа управляемых координат значительно услож­ няет конструкцию робота, повышает его стоимость, снижает точность дей­ ствия. Поэтому большинство универсальных роботов имеет пять-шесть сте­ пеней свободы.

Как правило, региональные движения, т.е. движения для перемещения объекта в пространстве, осуществляют базовым механизмом с тремя степе­ нями свободы. Локальные движения, служащие дня ориентации объекта, выполняют добавочным механическим устройствомкистью робота, имеющим две или три вращательные степени свободы.

Базовый механизм манипулятора может быть решен различной комбинацией поступательных и вращательных движений (рис. 61).

Рис. 61. Кинематические схемы базового механизма

Три поступательных движения соответствуют прямоугольной системе координат (Рис 61, а), два поступательных и одно вращательное движениецилиндрической системе координат (Рис. 61,5), два вращательных и одно поступательное - сферической системе координат (рис. 61, в), три враща­ тельных движения, осуществляемые в рычажной конструкции с шарнир­ ными соединениями, не составляют системы независимых координат (Рис.61, г). Система координат базового механизма предопределяет конфи- 1урацию рабочего пространства робота и собственные его габариты. Ра­ бочее пространство промышленного робота определяется пределами, в ко­ торых возможно управляемое перемещение исполнительного органа робо­ та. У робота с прямоугольной системой координат (рис. 62, а) рабочее про­ странство представляет собой прямоугольный параллелепипед, размеры которого меньше габаритов самого робота, тле. длина направляющих огра­ ничивает перемещения по соответствующим координатам.

Промышленные роботы с цилиндрической или сферической системой координат (рис. 62, б, в) обладают большим объемом рабочего про­ странства при относительно малой площади основания манипулятора. Еще более компактный робот получается при использовании рычажной кон­ струкции манипулятора с шарнирными сочленениями (Рис. 62, г). Его ра­

бочее пространство определяется размерами рычагов и предельныци угла­ ми их поворотов, образуя объем, близкий к сфере.

Рис. 62. Рабочее пространство промышленных роботов

Конструкция манипулятора в решающей (значительной) мере опреде­ ляет ошибку позиционирования, т.е. интервал, в пределах которого нахо­ дятся отклонения действительного размещения рабочего органа робота от заданного. Ошибка позиционирования зависит также от системы приво­ дов, устройства управления, а также от оператора, обучающего робот.

Ошибка позиционирования, зависящая от конструкции манипулято­ ра, определяется действием нескольких причин: люфта в сочленениях и на­ правляющих, упругих деформаций, вибрации. Вибрации рабочего органа при резкой остановке приводят к динамической ошибке, которая может быть уменьшена торможением перед остановкой. Величину вибраций мож­ но снизить так же, повышая (увеличив) жесткость манипулятором и, по воз­ можности, устройством демпферов. Ошибка позиционирования, обуслов­ ленная наличием люфтов, существенна. Кроме того, она возрастает по ме­ ре износа трущихся частей при эксплуатации робота. Причем износ меха­ низма вращательного движения увеличивает ошибку в большей степени, чем такой же износ механизма с поступательным движением. Наименьшая ошибка позиционирования рабочего органа присуща системе в прямо­ угольных координатах, а наибольшая - рычажной конструкции. Цилин­

дрическая и сферическая системы занимают в этом отношении промежуточ­ ное положение. Таким образом, выбор системы координат (манипулятора) является компромиссом между различными требованиями, предъявляемыми к роботу.

13.3. Система приводов

Система приводов промышленного робота состоит из нескольких не­ зависимых устройств, объединенных общим источником энергии. Количе­ ство устройств привода равно числу управляемых координат робота. Устройство привода является следящей системой по положению, на вход которой подается электрический сигнал, а на выходе устанавливается ме­ ханическая величина - линейное или угловое перемещение, эта система со­ держит силовой элемент и средства, координирующие его действия. Связь управляющего сигнала с координатой воспроизводимой точки может быть задана несколькими способами. В случае соответствия управляющего сиг­ нала расстоянию между текущей точкой и некоторым фиксированным по данной координате начальным положением получается система абсолютно­ го отсчета. Принимая в качестве начальной точки предыдущее положение исполнительного органа, получаем систему относительного отсчета. Метод абсолютного отсчета требует применения замкнутой системы автоматиче­ ского регулирования с использованием позиционного датчика (Рис. 63).

Величина механического (линейного или углового) перемещения ис­ полнительного органа (ИО) <ротмечается позиционным датчиком (ПД), сигнал которого сравнивается с командным сигналом И , подаваемым от устройства управления (УУ). Разность этих сигналов поступает на серво­ усилитель (У) для управления силовым элемеигом(СЭ), который переме­ щает исполнительный орган (ИО). Точность позиционирования такой си­ стемы лимитируется возможностями позиционного датчика, который яв­ ляется весьма сложным и дорогим устройством. В настоящее время исполь­ зуются аналоговые и дискретные (ПД). Достоинством метода абсолютного отсчета является независимость точности позиционирования от таких фак­ торов, как предыдущее положение ИО, длительность работы, импульсные помехи, сбои в работе электронных счетчиков и т.д. Однако сложность технической реализации снижает масштабы применения этого метода.

Метод относительного отсчета позволяет упростить систему приво­ да. Замкнутая следящая система привода с относительным отсчетом (£ис. 63, 6) содержит импульсный датчик, который регистрирует величину меха-