Анализ построения роботизированных технологических комплексов
Накопительные и питательные устройства
Накопительные и питательныеустройства весьма разнообразны. Это могут быть устройства в виде лотков (рис.1а, б, г), где упорядоченная поштучная подача деталей роботу осуществляется поддействием их собственного веса, или в виде бункеров (рис.1, в) с подачейдеталей путем вращения дна, на котором расположены детали.
В другом случае путем пошаговоговращения поддона (рис.2, а, г) детали фиксируются каждый раз в определенномположении для взятия их роботом или же сама рука робота имеет пошаговоепрограммное перемещение (рис.2, б, в) при неподвижном поддоне.
Аналогично, те же действия могутосуществляться путем поступательного пошагового перемещения в прямоугольныхкоординатах (рис.3), где детали расположены упорядочение в кассетах (палетах).
Накопительные устройства могутиметь вид магазинов с вертикально расположенными стопками деталей. Детальподается роботу поштучно снизу при помощи шиберного устройства (рис.5, а) иливертикально движущегося съемного устройства (рис.5, б). Манипулятор беретдеталь и пошагово перемещается сверху вниз (рис.5, в); или же деталь подаетсяманипулятору путем пошаговой подачи самого магазина (рис.5, г) либо стопкидеталей внутри магазина (рис.5, д).
Для полного обеспечения станковдеталями на заданное время работы магазины могут иметь несколько стопок деталей(Рис.6, а, б), а поддоны иногда делают многоуровневыми (Рис.6, в, г), т.е. имеющимиряд горизонтальных плоскостей с деталями. Такие накопительные устройстваименуются контейнерами.
Накопители могут выполнятьсятакже в виде цепных механизмов с расположенными в каждом звене цепи деталями. Здесьдетали поштучно подаются роботу путем пошагового перемещения цепи. Такие цепимогут образовывать многоярусные контейнеры.
В накопительных устройствахможет быть организована циркуляция поддонов (кассет или палет) с поочередным ихпополнением по мере освобождения.Транспортные устройства
Промежуточное транспортированиедеталей внутри роботизированного технологического комплекса осуществляется с помощьюпростых роликов или пошаговых транспортеров или тактовых столов, имеющих строгофиксированные шаги перемещения, реализуемые специальными механизмами. Применяютсятакже линейные электродвигатели. Транспортирующие устройства могут работать какв прямоугольных координатах, так и в полярных (в виде дисков) или же попространственным траекториям (в частности, спиралевидным). Заготовки можноустанавливать непосредственно на пластины тактового стола (рис.8) либо наспециальных приспособлениях (спутниках), которые крепятся на пластинах.
/> />
Рис.1 — Схема лотков и бункера Рис.2.Схема поддонов с пошаговым вращением их или манипулятора
/> />
Рис.3 — Схемы кассет (палет) Рис.4- Схемы накопительных магазинов
/> />
Рис.5 — Схемы многорядных Рис.6- Схемы цепных накопительных накопительных механизмов магазинов
/>
Рис.7. Схема тактового стола
Конвейером называютмашину для непрерывного транспортирования изделий. Отличительной особенностьюмногих конструкций конвейеров, наряду с выполнением функций по перемещениюзаготовок, является возможность образования небольших межоперационных заделов,обеспечивающих независимую работу сложных станков в составе автоматическихлиний. Имеются конструкции конвейеров, которые при транспортировании производятраспределение заготовок на несколько потоков.
Транспортные средства бывают стационарные,т.е. неподвижно установленные на полу цеха, и подвижные. К первому видуотносят различные конвейеры, ко второму — различные тележки (электрокары,самоходные тележки, работающие по автоматическому циклу, и др.)
По способу транспортированияконвейеры делят на непрерывного и прерывистого (дискретного) действия.
Конвейеры непрерывногодействия. Наиболее распространены ленточные (рис.8, а) и цепные(рис.8, б) конвейеры. Грузонесущим и тяговым органом для перемещения заготовокв таких конвейерах служит лента (обычно металлическая) или втулочно-роликоваяцепь, которые натянуты на барабаны или звездочки, смонтированные в корпусе. Дляпредотвращения их провисания предусмотрены направляющие планки.
Роликовые конвейеры состоятиз роликов, укрепленных на осях в корпусе 5 (рис.8, в). Роликам сообщаетсявращение от привода через замкнутую цепь и звездочки, закрепленные на осяхроликов. Перемещение заготовок или приспособлений-спутников происходит поддействием сил трения, возникающих между образующей роликов и заготовками, чтопозволяет подавать их с подпором. Ролики посажены на оси с небольшим натягомчерез фрикционные втулки, запрессованные в ролики, что позволяет импроскальзывать в момент нахождения под остановленными заготовками.
Конвейер-распределительсостоит из корпуса, внутри которого на звездочках натянута замкнутая цепь сконсольно укрепленными (через шаг) пальцами, перемещающими детали (кольца,фланцы) по направляющей (рис.10. г). Заготовки подаются в конвейер черезмеханизм приема (с отсекателем), а выдаются через механизмы выдачи. Такойконвейер применяют для распределения катящихся заготовок между параллельнодействующими станками.
Двухвалковые конвейерыиспользуют для перемещения с подпором цилиндрических заготовок (рис.8, д),например, колец, втулок, дисков. При перемещении заготовки вращаются, чтопозволяет применить указанные конвейеры для загрузки — выгрузки бесцентровыхкруглошлифовальных станков. Валковые конвейеры имеют разные исполнения взависимости от формы валков. Наиболее распространенной конструкцией являетсяконвейер с коническими валками, с углом конуса при вершине до 2°. Вращение двумвалкам, укрепленным в корпусе, сообщается от привода через цепную передачу извездочек, установленные на осях валков.
/>
Рис.8 — Конвейеры непрерывногодействия
Винтовые конвейерыиспользуют для перемещения заготовок поперек и вдоль оси. В первом случае(рис.8, е) спирали винтов, находящихся в корыте, расположены так, чтобызаготовка лежала между ними без перекоса. Винтам сообщается синхронное вращениеот привода через цепную передачу и звездочки. Для перемещения заготовок вдольоси винты установлены таким образом, чтобы выступы одного винта свободно входилибы во впадины другого. В этом случае заготовка перемещается по наружнойповерхности спиралей между винтами.
Вибрационные конвейерыиспользуют в тех случаях, когда затруднительно перемещать заготовки другимиспособами (например, из-за их сцепляемости). Основным недостатком указанныхконвейеров является возможность вибрации соседних металлорежущих станков. Конвейерсостоит из лотка (рис.8, ж), пружин и основания. Лоток получает движение отэлектромагнитного вибратора 4 (или от эксцентрикового механизма) с упругимзвеном 5.
Пневматический полусамотечныйконвейер (рис.8, з). Перемещение заготовок в корпусе конвейера,расположенного наклонно под углом, меньшим угла трения, осуществляется сжатымвоздухом (давление 0,01...0,02 МПа), подаваемым через отверстия 5 или 2,просверленные под углом на опорной, а иногда и на боковых поверхностях. Заготовкидвигаются в корпусе под действием струй сжатого воздуха, образующих воздушнуюпрослойку толщиной 0,01. .0,02 мм между заготовками и поверхностью.
Лотковые самотечные конвейерыпредназначены для гравитационного перемещения заготовок качением по роликам илискольжением по наклонной (в большей части прямой) поверхности длиной 2. .5 м иболее (рис.8, и, к). Угол наклона конвейеров устанавливается в зависимости отспособа перемещения заготовок, их массы и материала. При перемещении деталейкачением />=5.10° (рис.8, и), a при скатывании по роликам />= 3. .5° (рис.8, к). Для каждойконкретной заготовки и способа ее перемещения производится подбор угла наклонаконвейера с учетом допустимой скорости соударения деталей, при которой на поверхностиих (при ударах) не образуются дефекты в виде забоин, вмятин и пр.
Конвейер для перемещениязаготовок качением состоит из опорной и двух боковых стенок (рис.8, и). Дляпредотвращения самопроизвольного выпадания заготовок (особенно при большом угленаклона) предусмотрена предохранительная полоса. В конвейерах для перемещениязаготовок по свободно, вращающимся роликам (рис.8, к) последние устанавливаютна осях, укрепленных в боковых стенках, которые между собой жестко соединяютстяжками. В качестве ролика используют шарикоподшипник или двашарикоподшипника, запрессованные во втулку. Для уменьшения скорости перемещениязаготовок в лотковых конвейерах, применяют амортизаторы, свисающие ремни, атакже разные конструкции спусков.
Конвейеры прерывистого действия.Шаговые конвейеры наиболее распространены и бывают двух типов: субирающимися собачками (рис.9, а) или поворачивающимися захватными устройствами(рис.9, б). У первого типа конвейеров заготовки (спутники) перемещают понаправляющим захваты в виде подпружиненных храповых собачек, укрепленных наосях в штанге, совершающей возвратно-поступательное движение с помощьюгидравлического цилиндра. При движении штанги вперед собачки упираются взаготовки и перемещают их на шаг. При обратном ходе собачки утапливаются вштангу и проходят под заготовки, не передвигая ее. Основным недостаткомконвейера является засорение стружкой храповых собачек.
У второго типа конвейеров(см. рис.9, б) заготовки перемещают по направляющим захватные устройства в видефлажков, укрепленных неподвижно на круглой штанге, совершающей последовательновозвратно-поступательное и вращательное движения с помощью гидравлическихцилиндров 5 и 7 и рычага. При движении штанги вперед флажки упираются взаготовки и перемещают их на шаг. Затем штанга поворачивается на угол (прикотором флажки не задевают детали) и возвращаются в исходное положение. Далеефлажки опускаются, и цикл повторяется. Вероятность засорения стружкой флажков вэтом конвейере меньше.
Перекладывающие планочныеконвейеры обычно применяют для перемещения заготовок, для которых недопускается повреждение обработанной поверхности при скольжении по направляющим(рис.9, в). Заготовки движутся по направляющим последовательным перекладываниемпосредством планки, совершающей движение от вращающихся эксцентриков посложному циклу — подъем, движение вперед, опускание, движение назад.
Пилообразные конвейерыприменяют для перемещения заготовок типа вал поперек оси. Конвейер одинарногодействия (рис.9, г) состоит из двух неподвижных пилообразных реек, междукоторыми размещены две подвижные рейки, перемещаемые вверх — вниз откулачкового (кривошипного) механизма. В результате этого движения подвижныерейки перебрасывают заготовки через вершины неподвижных реек. Для увеличения,производительности в конвейерах двойного действия (рис.9, д) подвижные рейкисмещены относительно неподвижных на пол шага. Принцип работы конвейерааналогичен предыдущему. Детали скатываются по наклонной части реек поддействием силы тяжести.
Гребенчатые конвейерыпредназначены для перемещения заготовок с заплечиками, типа шатун, (рис.9, е) иимеют две направляющие, между которыми размещена гребенка, совершающая движениевверх — вниз (с амплитудой 8…10 мм) с помощью приводного механизма. В процессеперемещения шатун заплечиками большой головки опирается на гладкиенаправляющие, а нижней частью малой головки — на зубцы гребенки при наклонешатуна на угол 6.10° от вертикальной плоскости по ходу движения. При подъемегребенки шатун смещается большой головкой по направляющим в сторону наклона, апри опускании гребенки он смещается малой головкой в ту же сторону; врезультате шатуны перемещаются вперед.
Шаговый конвейер-накопитель суправляемыми собачками. Помимо перемещения деталей, выполняет функцию ихнакопления. Он включает две направляющие, по которым движутся детали (рис.9, ж)с помощью двойной штанги с собачками (действующими от гидроцилиндра),размещаемой между направляющими. На одной из направляющих на осях4 установленыповоротные рычаги контроля наличия заготовки. При отсутствии заготовки короткийконец рычага поднимается, а длинный опускается.
Другие вспомогательные устройства
В сварочных робототехническихкомплексах в качестве вспомогательного оборудования используются поворотныестолы (рис.10). Пока робот сваривает одно изделие, оператор устанавливает надругой стороне стола новое изделие для сварки, которое подается ему надвижущемся транспорте. Такой способ ручной установки в дальнейшем может бытьзаменен автоматизированной системой, связывающей рабочие позиции с транспортнымиустройствами, которые подают и убирают изделия из зоны сварки.
Некоторые объекты специфическоговспомогательного оборудования требуется устраивать при роботизации сборочныхопераций. Здесь применяются механизмы подачи, накопители, направляющие, установочныеприспособления и различные специальные устройства для операций крепежа, пайки,склейки и др. Наконец, к вспомогательному оборудованию относятся и различныесредства техники безопасности на роботизированных технологических комплексах. Чащевсего применяется сеточное ограждение.
Применяются также системы защитыс фотоэлементами.
Механизм автоматической сменызахватного устройства ПР.
В полностью автоматических (безлюдных)ГПС при смене объекта производства возникает необходимость в смене захватного устройства(ЗУ) при сохранении модели ПР.
Схема байонетного механизмаавтоматической смены ЗУ представлена на рис.11.
ЗУ, предназначенные дляавтоматической смены, помещаются в магазинное устройство, которое может бытьвыполнено в виде неподвижной стойке или поворотного диска с соответствующимигнёздами 1. Каждое ЗУ опирается на торцевую поверхность стойки фланца 8 ицентрируется цилиндрическим пояском 9 по гнезду, имеющему форму отверстия свырезом для прохода верхней части корпуса захвата. Угловое положение ЗУопределяется штифтом 2. Угловая фиксация ЗУ в руке робота 7 осуществляетсяфиксатором, который представляет собой подпружиненную скалку 4 с роликом 3. Онзакрепляется во втулке 5, помещенной на руке робота 7. От поворота скалкаудерживается винтом и связана также с рукояткой 6 для расфиксации ЗУ. Нарисунке показана установка ЗУ в гнездо 1 магазина перед раскрытием байонетногозамка (схема соответствует взятию ЗУ из магазина). Поскольку штифт 2 магазинавходит в тот же паз 10 фланца 8, что и ролик фиксатора 3, то в момент установкиЗУ в магазин штифт 2 отжимает фиксатор 4, обеспечивая тем самым поворот рукиробота 7 с фиксатором на угол 90°, что необходимо для раскрытия байонетногозамка. При повороте руки 7 на угол 90° ролик отжатого фиксатора катится поповерхности фланца 8. После поворота на угол 90° рука уходит вверх, оставляя ЗУв гнезде магазина 1.
При взятии ЗУ из магазина рука,перемещаясь вертикально, надевается на его хвостик, фиксатор отжимается. Приповороте руки на 90° байонетный замок замыкается.
/>
Рис.9 — Конвейеры прерывистогодействия
/> />
Рис.10 — Схема сварочного комплексас поворотным столом
Рис.11. Байонетный механизм автоматическойсмены ЗУ
Перечень мероприятий при подготовке производства к применению промышленныхроботов
Все вновь создаваемоеоборудование для машиностроения, и в том числе промышленные роботы, должныразрабатываться с учетом требований комплексной автоматизации производства. Многолетнийопыт эксплуатации промышленных роботов в различных производственных условияхпозволил определить основные особенности и принципы построения технологическихпроцессов в случае автоматизации отдельных операций с помощью роботов первогопоколения. Необходимо провести целый комплекс мероприятий. К этим мероприятиямотносятся следующие:
1) доработка технологическогооборудования, обслуживаемого роботом, если это оборудование создано безучета его использования. Роботы первого поколения могут обслуживать далеко невсе универсальное технологическое оборудование, находящееся в настоящее время вэксплуатации в машиностроении. В общем контуре управления с промышленнымроботом может работать только универсальное оборудование с ЧПУ, а такжеоборудование, оснащенное цикловой автоматикой управления (металлорежущиестанки-автоматы и полуавтоматы, прессы, штамповочные молоты, гильотинныеножницы, литейные и плавильно-заливочные полуавтоматы и т.п.). Однако в этомслучае для объединения оборудования и обслуживающего робота в общемавтоматическом цикле часто приходится дорабатывать универсальное оборудование. Иногдаэто сводится к незначительной переделке цикловой автоматики и зажимныхустройств технологического оборудования. Чаще же возникает необходимость всоздании специальных электронных блоков связи между роботом и оборудованием,предназначенных для преобразования и передачи технологических команд (например,«Зажим патрона», «Разжим патрона», «Включение станка»и т.д.), а также для передачи в систему ЧПУ робота сигналов обратной связи исигналов автоблокировки. В большинстве случаев для обеспечения совместнойработы универсального оборудования и роботов приходится перекомпоновыватьрабочее пространство оборудования; в противном случае доступ захватногоустройства (захвата) с заготовкой или деталью в рабочую зону оказываетсязатрудненным (что усложняет работу и увеличивает количество исполнительныхкоманд робота) и даже невозможным.
При обработке несимметричныхдеталей станок приходится оснащать устройством, останавливающим патрон всегда водном положении. Следовательно, новое универсальное автоматизированноетехнологическое оборудование необходимо проектировать с учетом всех требований,обусловленных его совместной работой с промышленными роботами первогопоколения, т.е. соответствующим образом должны быть выбраны режимы работы,автоматика управления, вид и форма командных и выходных сигналов, конструкцияустройств зажима, конфигурация и размеры рабочей зоны, устройства блокировки исвязи, исключающие излишнюю переработку информации и т.д.
2) доработка конструкциидетали или заготовки, которая должна быть приспособлена к условиям манипулированияею с обеспечением возможности захватывания, переноса и точного позиционированияроботом. Для этого деталь (заготовка) должна иметь достаточно жесткуюконструкцию и базовые поверхности, позволяющие роботу брать деталь (заготовку) надежнои всегда одинаково (в некоторых случаях от этих баз с помощью роботавыполняются измерения). В качестве баз могут быть использованы базовыеотверстия, поверхности и приливы. Кроме этого, поверхности детали или заготовкинеобходимо делать точнее, например у отливок и штамповок надо тщательнееудалять облой, прибыли и литниковые системы, иначе не будут обеспечены условиядля надежного и точного захватывания роботом детали, так как она будет плохосориентирована в загрузочном или позиционирующем устройстве;
3) изменение технологическогопроцесса в целях наилучшего приспособления его к техническим возможностямимеющегося или приобретаемого для обслуживания этого процесса промышленногоробота. Так как время обработки деталей и продолжительность их межоперационныхперемещений при многостаночном обслуживании или групповой обработкевзаимосвязаны, то для эффективного использования робота приходитсяперераспределять операции технологического процесса (с учетом передачи деталейна промежуточную обработку или контроль на другие производственные участки). Применениеробота может вызвать существенную корректировку автоматизируемоготехнологического процесса, включая изменение способов обработки или сборки,режимов обработки и последовательности переходов или установок.
4) подбор устройствориентирования деталей. Роботы первого поколения не оснащены устройствамидля определения формы и размеров детали (заготовки), поэтому, чтобы правильноустановить детали на обработку, их вначале необходимо ориентировать строгоопределенным образом. Ориентирование заготовки или детали может быть выполненобез участия человека с помощью специальных ориентаторов, в которых детали илизаготовки поворачиваются при подаче на позицию захватывания роботом вопределенное положение под действием веса или толкателями, при этом обычноиспользуются особенности формы детали (заготовки). Выбор способа ориентированиядеталей и выбор баз для их захватывания при транспортировании тесно связанымежду собой.
5) подбор накопителей деталейили заготовок. В накопителях целесообразно монтировать устройства дляориентирования заготовок при выходе их на позицию захватывания роботом. В томслучае, когда роботы обслуживают поточную линию и стоят на большом расстояниидруг от друга (рабочие зоны роботов не перекрываются), накопители приходитсясоединять транспортными средствами — роликовыми конвейерами, склизами и т.п. Рольнакопителей чаще всего выполняют загрузочно-разгрузочные устройства, причем впоточных линиях, обслуживаемых роботами, разгрузочное устройство предыдущегоробота часто используется в качестве загрузочного устройства последующегоробота. Применение накопителей уменьшает время, затрачиваемое человеком наподготовку работы роботов, и позволяет объединить в единый цикл технологическоеоборудование разной производительности.
6) изготовление новойоснастки (специальной или специализированной). К оснастке относятся захватыроботов (или магазины из нескольких захватов), зажимные, разжимные ификсирующие устройства технологического оборудования (патроны металлорежущихстанков, пружинные упоры, всевозможные ловители, направляющие устройства, выталкиватели,приемопередающие устройства, средства межоперационного транспортирования итара, средства контроля и др.), загрузочно-разгрузочные устройства, кантователии т.д. Проектирование и изготовление перечисленной оснастки так же, как идоработка самого технологического оборудования, требуют обычно сравнительнонебольших затрат времени — от нескольких смен до нескольких недель.
7) проведение специальныхмероприятий по обеспечению техники безопасности (системы обеспечениябезопасности) при работе роботов, особенно в тех случаях, когда на том жепроизводственном участке работают люди. Для предотвращения травматизма уналадчиков, программистов и рабочих-комплектовщиков рабочее пространство роботадолжно иметь специальное надежное ограждение, а внешнее технологическоеоборудование должно быть оснащено датчиками для обнаружения аварийных ситуаций,которые могут возникнуть в процессе работы робота, а также соответствующимиблокировками. Для исключения поломок оснастки обслуживаемого роботомтехнологического оборудования, узлов самого робота и возможных сбоев в системеего управления необходимо применять блокировочные устройства, выключающиепитание робота и оборудования при возникновении аварийных ситуаций (поломкаинструмента, защемление детали, отказ систем управления и т.д.).
8) разработка компоновочнойсхемы, т.е. планировка взаимного расположения технологическогооборудования, роботов, пультов управления, загрузочных устройств, накопителей,тары и транспортных средств в точном соответствии с технологическойпоследовательностью выполнения операций роботом и требованиями по точностипозиционирования. В практике машиностроения оправдали себя типовые планировкиоборудования на участке, обслуживаемом роботом.
9) подготовка, запись иконтроль управляющих программ. Этому должны предшествовать разработкатехнологических процессов и технологические расчеты (определение режимов ивремени обработки, определение требуемого и возможного вспомогательного изаключительного времени, расчет оптимальных траекторий и скоростей движенияисполнительного устройства робота, расчет циклов и циклограмм, определениевместимости накопителей и т.д.).
Результаты расчетов вместе сописанием технологического процесса и планировкой оборудования обычно заносят втехнологическую карту, используемую при составлении управляющих программ
Список литературы
1. Роботизированные технологические комплексы / Г.И. Костюк, О.О. Баранов,И.Г. Левченко, В.А. Фадеев — Учеб. пособие. — Харьков. Нац. аэрокосмическийуниверситет «ХАИ», 2003. — 214с.
2. Н.П. Меткин, М.С. Лапин, С.А. Клейменов, В.М. Критський. Гибкиепроизводственные системы. — М.: Издательство стандартов, 1989. — 309с.
3. Гибкие производственные комплексы / под. ред. П.Н. Белянина. — М.: Машиностроение,1984. — 384с.
4. Гибкое автоматическое производство / под. ред. С.А. Майорова. — М.: Машиностроение,1985. — 456с.
5. Иванов А.А. ГПС в приборостроении. — М.: Машиностроение, 1988. — 282с.
6. Управление робототехническими системами и гибкими автоматизированнымипроизводствами / под. ред. Н.М. Макарова, — М.: Радио и связь, 1981, ч.3 — 156с.
7. Широков А.Г. Склады в ГПС. — М.: Машиностроение, 1988. — 216с.