Роботизированные комплексы (РТК), предназначенные для технологического процесса сборки
Характеристики и структура РТК сборки
Промышленные роботы применяют для автоматизации операций при выполнении всех видов сборочных работ. На операциях сборки под дальнейшую механическую обработку ПР используют: для подачи, ориентации и соединения деталей в один комплект, их взаимного закрепления, установки и снятия комплекта при обслуживании обрабатывающего оборудования.
При узловой сборке ПР применяют: для поиска и распознавания деталей, их транспортирования, ориентации и подачи на сборочную позицию, для контроля размеров, правильности и качества взаимного соединения и закрепления деталей, для транспортирования и укладки (а если потребуется — и упаковки) собранного узла.
Сборка под сварку может рассматриваться как операция узловой сборки и как операция, предваряющая механическую обработку.
При общей, окончательной сборке изделия ПР используют: для транспортирования, взаимной ориентации и установки узлов, иногда для их соединения, а также для транспортирования готовых изделий.
ПР могут применяться и на операциях разборки изделий.
К основным сборочным операциям, которые могут быть выполнены с помощью ПР, оснащенных соответствующими инструментами и приспособлениями, относятся следующие:
надеть — вставить;
наложить — вложить;
раздвинуть — развернуть;
установить — снять;
запрессовать;
свинтить — развинтить;
склеить;
склепать; — сжать — разжать.
Для выполнения основных операций требуется реализация ряда вспомогательных операций, к которым относятся транспортирование, ориентирование, измерение и т.п.
При автоматизации сборки с помощью ПР выдвигается ряд общих требований: детали по качеству изготовления должны соответствовать техническим условиям чертежа, быть чистыми, не иметь забоин, вмятин; конструкция деталей должна исключать возможность их сцепления друг с другом при выходе из подающего устройства (магазина); в соединяемых деталях должны быть предусмотрены фаски, конусы, проточки. Не рекомендуется также сборка деталей из легкодеформируемых, хрупких и не обеспечивающих сохранения определенной геометрической формы материалов; перед поступлением на сборочную позицию необходимо предусмотреть контроль деталей на их соответствие техническим условиям.
К изделиям (сборочным единицам), собираемым с помощью ПР, предъявляются следующие требования: расчлененность на законченные, взаимозаменяемые сборочные единицы; минимальное число соединяемых поверхностей и видов соединений, доступность мест соединений сборочных единиц для контроля качества соединения; отсутствие необходимости в дополнительной обработке, пригонке и регулировке в процессе сборки; возможность осуществления последовательной сборки, характеризуемой наличием базовой детали, с которой последовательно сопрягаются присоединяемые детали. Тип и конфигурация базовой детали определяют конструкцию базирующего приспособления и схему базирования. Условия собираемости, выбор базовых поверхностей при захвате и монтаже присоединяемой детали, а также последовательность сборки зависят от пространственного расположения поверхностей сопряжения. Основным признаком классификации типовых сборочных единиц и комплектов является деление их на комплекты типов «вал» (с охватываемой базовой деталью) и «корпус» (с охватывающей базовой деталью).
В комплекте типа «вал» базовой деталью является вал или другая подобная деталь, на которую устанавливаются подшипники, зубчатые колеса, втулки, пружинные стопорные кольца, уплотнительные манжеты. В комплекте типа «корпус» базовыми деталями являются корпус, фланец, стакан и другие элементы конструкции, в которые вкладываются присоединяемые детали.
Промышленные роботы, обслуживающие сборочные РТК. должны обеспечивать всю совокупность перемещений, необходимых для нормального протекания сборки. Характер и вид этих перемещений зависят от требований, предъявляемых к процессу сборки, номенклатуры и программы выпуска, частоты сменяемости собираемых изделий и габаритов технологического оборудования.
Специфика сборки, в процессе которой необходимо компенсировать погрешности позиционирования, захвата и установки деталей, обусловливает определенные требования к сборочным ПР.
Взаимные основные движения сопрягаемых деталей (как правило, это прямолинейные перемещения) должны осуществляться ПР в цилиндрической системе координат.
Размеры рабочей зоны ПР должны быть достаточными для размещения: вспомогательных устройств, приспособлений и оснастки, необходимых для реализации технологического процесса сборки; магазинов с инструментами и захватными устройствами; подающих устройств; накопителей собираемых деталей; средств контроля качества сборки.
ПР должен иметь не менее трех степеней подвижности, а также возможность увеличить их число до 8 в результате дополнительных движений исполнительного органа ПР или сборочного инструмента.
Система управления ПР должна обеспечивать возможность его работы со значительным числом вспомогательных механизмов (тактовые столы, транспортеры, устройства поштучной выдачи заготовок и т.д.).
Промышленные роботы, последовательно выполняющие несколько различных операций и переходов, должны иметь устройство, автоматически заменяющее захват и инструмент и подключающее их к силовой и измерительной сетям (пневматическим или электрическим).
При необходимости выполнения в процессе сборки операций механической обработки (сверление, развертывание и др.) исполнительный орган ПР должен обеспечить работу режущего инструмента с требуемыми скоростью и усилием подачи; если это невозможно, то в состав РТК следует включить соответствующее металлорежущее оборудование.
Следует отметить, что в промышленной робототехнике четко обозначились два направления создания переналаживаемых систем робото-технологических сборочных комплексов (РТСК). Первое связано с использованием ПР, работающих в условиях упорядоченной среды. В этом случае основное внимание при создании РТК уделяется выбору методов подготовки среды и разработке средств, реализующих их. Такое решение позволяет резко повысить надежность функционирования, снизить стоимость и упростить управление собственно ПР. На производстве при эксплуатации таких РТК не требуется специальной подготовки персонала, удешевляется организация их сервисного обслуживания. Кроме того, упомянутое направление создания РТК обладает определенными преимуществами еще и потому, что на производстве во многих отраслях накоплен значительный опыт применения типовых переналаживаемых средств упорядочения среды (деталей, соединений, технологической оснастки и т.д.), которые используются при автоматизации процессов загрузки и разгрузки технологического оборудования (например, бункерные загрузочно-ориентирующие устройства).
Второе направление связано с использованием ПР, обладающих широкими технологическими и функциональными возможностями, намного превосходящими требуемый для обслуживания конкретного процесса уровень. Такие роботы, используемые при создании переналаживаемых РТК, успешно взаимодействуют с неупорядоченной средой за счет наличия в их составе элементов очувствления и логико-управляющих систем, позволяющих приспосабливаться к изменяющимся условиям работы. Часто необходимо выявить минимально необходимые (целесообразные) структурные связи, объем памяти и уровень адаптации у робота и технически достижимый уровень организации обслуживаемой среды с целью создания эффективных условий для взаимодействия элементов системы «робот — объект — среда». Это, безусловно, требует изменения компоновки и конструктивного исполнения технологического оборудования, режимов технологических процессов, условий и организации производства.
В общем случае состав и структура РТСК могут быть представлены схемой, изображенной на рис.1.
/>
Рис.1 — Структурная схема компоновки РТСК.
В качестве объекта рассматривается корпус электроизмерительного щитового прибора, на токовыводящие элементы которого надеваются комплекты деталей — обыкновенная и пружинная шайбы, а также цилиндрическая гайка со шлицем. В комплект входят: загрузочные (питающие) устройства ЗУ для номенклатуры комплектующих изделие деталей; устройства, выполняющие функции первичного ориентирования УПО; транспортные системы ТС и элементы создания однослойного потока деталей; устройства вторичного ориентирования УВО и фиксирования положении деталей в пространстве, например, кассетирующие устройства КУ, накопители кассет НК с упорядоченными деталями; транспортные органы ТО для подачи упорядоченных в кассетах деталей в зону обслуживания сборочного робота (создание упорядоченной среды УС): сборочный (обслуживающий) ПР; конвейер базовых деталей КБД и сборочная позиция.
Технологические устройства сборочных РТК
Автоматизированная роботизированная сборка накладывает специфические требования на технологические устройства. Эти требования определяются двумя основными схемами построения РТСК. В первой схеме робот выполняет функции захвата деталей, в некоторых случаях — базирование при сборке и удаление собранного узла. В таких комплексах операцию сборки осуществляет стационарное технологическое устройство. Во второй схеме промышленный робот непосредственно выполняет операции комплектования и сборки деталей.
Тип технологических устройств для автоматической сборки узлов изделий определяется главным образом видом соединения, для которого они предназначены. Различают технологические устройства для сборки разъемных и неразъемных соединений.
Детали при сборке соединяют следующими способами: стапелированием (укладкой) с большими и малыми зазорами; пластической деформацией (с натягом); упругой деформацией (с предварительным упругим деформированием одной из сопрягаемых деталей); склеиванием; свариванием; по резьбе.
Для выполнения указанных соединений с помощью ПР необходимы различные сборочные инструменты, приспособления и оборудование, к которым предъявляются следующие основные требования:
1) обеспечение надежного захватывания детали, ее транспортирования на сборочную позицию, а также установки в приспособление или сопряжения с базовой деталью;
2) унификация хвостовиков, поясков и других элементов, инструмента, служащих для его установки а исполнительном органе ПР;
3) возможность встраивания в инструмент датчиков, контролирующих наличие детали, процесс сборки, размеры собираемых деталей, их относительное расположение, качество сборки и другие параметры;
4) унификация мест подключения к измерительным и силовым пневмо — и электросетям (для сменного инструмента);
5) обеспечение захватными элементами инструмента заданной точности базирования детали;
6) оснащенность инструмента устройством автопоиска или элементами, способствующими самоустановке присоединяемой детали под действием сил, возникающих при сборке;
7) отсутствие деформаций детали в результате действия на нее усилий, возникающих при сборке, захватывании и фиксации (если это не требуется по условиям технологического процесса);
8) возможность легкой переналадки инструмента (в широком диапазоне размеров) при изменении номенклатуры собираемых деталей;
9) оснащенность блокировочными устройствами, предотвращающими поломку инструмента;
10) возможность расширения технологических возможностей инструмента;
11) захватные устройства сборочного инструмента по возможности должны быть автономными (т.е. выполненными отдельно от инструмента) и совмещенными с инструментом.
Отдельно можно отметить, что к технологическим устройствам, работающим в составе РТСК, построенным по первой схеме, предъявляются требования: применение единого источника энергии, возможность управления от общей системы, а также эти устройства должны обладать достаточной универсальностью и быстро переналаживаться с одного типоразмера на другой. К технологическим устройствам, работающим в составе РТСК, построенным по второй схеме, предъявляются требования единства источника энергии робота и технологического устройства и возможности работы от единой системы управления. Так как технологическое устройство крепится на конец руки манипулятора, к нему предъявляются требования снижения массы, а следовательно, и размеров для уменьшения инерционных нагрузок в приводах роботов. Технологические сборочные устройства должны иметь высокую производительность, обладать достаточной универсальностью и надежностью в работе.
Автономные захватные устройства обеспечивают соединение деталей, изменение их положения, а также перенос деталей и собранного изделия. Захватные устройства, совмещенные с инструментом, применяют для выполнения основных сборочных операций. Одной из таких операций, наиболее часто встречающейся в машиностроительном производстве, является соединение деталей по цилиндрическим поверхностям (например, при установке подшипников, валов, вкладышей и манжет в корпус). При этом требуется высокая точность взаимного расположения сопрягаемых поверхностей и траекторий их перемещения или возможность компенсации таких погрешностей. Компенсацию осуществляют двумя способами:
1) активным (с применением датчиков, измеряющих, усилия и моменты, возникающие при сопряжении деталей, и выдающих команды на дополнительные перемещения исполнительных узлов ПР и загрузочного устройства);
2) пассивным (с применением кинематических элементов и приспособлений, устанавливаемых обычно непосредственно на сборочном загрузочном устройстве или на инструменте и обеспечивающих автопоиск сопрягаемых поверхностей; при этом для реализации автопоиска на сопрягаемых деталях необходимо иметь соответствующие вспомогательные поверхности — фаски, скосы и т.п.).
Установка плоских прокладок из листового материала производится с помощью электромагнитных или вакуумных захватных устройств. Вакуумные захватные устройства обеспечивают большую точность установки и могут работать с прокладками из любого материала.
Широкое распространение получили различные конструкции устройств для автоматической сборки резьбовых соединений. Эти устройства имеют ряд преимуществ, которые особенно важны для роботизированной сборки. К ним можно отнести универсальность, многообразие готовых конструкторских решений, небольшие габаритные размеры.
В резьбовом соединении следует различать детали, в которых стержень имеет наружную нарезку резьбы (болт, винт, шпилька), и детали, имеющие резьбовые отверстия (гайка, любая деталь с резьбовым или рядом резьбовых отверстий). Разделение деталей в резьбовом соединении на два вида диктуют различные методы подачи, базирования и фиксации в процессе сборки.
Осуществление сборки резьбовых соединений требует выполнения двух движений: поступательного и вращательного. При проектировании средств автоматизации существенное значение имеет выбор прогрессивного способа сборки, который определяется методами базирования и относительного ориентирования собираемых деталей, методами воздействия на объекты сборки (на резьбовые детали).
Существуют два основных метода относительного ориентирования собираемых деталей: в первом используется базирование по неподвижным базам, во втором — одну из собираемых деталей или обе сразу базируют в подвижных базах.
Список литературы
Роботизированные технологические комплексы / Г.И. Костюк, О.О. Баранов, И.Г. Левченко, В.А. Фадеев — Учеб. Пособие. — Харьков. Нац. аэрокосмический университет «ХАИ», 2003. — 214с.
Н.П. Меткин, М.С. Лапин, С.А. Клейменов, В.М. Критський. Гибкие производственные системы. — М.: Издательство стандартов, 1989. — 309с.
Гибкие производственные комплексы / под. ред. П.Н. Белянина. — М.: Машиностроение, 1984. — 384с.
Гибкое автоматическое производство / под. ред. С.А. Майорова. — М.: Машиностроение, 1985. — 456с.
Иванов А.А. ГПС в приборостроении. — М.: Машиностроение, 1988. — 282с.
Управление робототехническими системами и гибкими автоматизированными производствами / под. ред. Н.М. Макарова, — М.: Радио и связь, 1981, ч.3 — 156с.
Широков А.Г. Склады в ГПС. — М.: Машиностроение, 1988. — 216с.