Промышленная робототехника

Содержание:

Введение………………………………………………………………………3

1. Основные сведения о робототехнике……………………………………….6

2. Основные задачи……………………………………………………………..11

2.1 Манипуляции изделиями и заготовками………………………………….11

2.1.1 Загрузочно-разгрузочные работы……………………………………11

2.1.2 Перенос изделий с одной производственной установки на другую.12

2.1.3 Упаковка……………………………………………………………….13

2.1.4 Погрузка тяжелых предметов на конвейер или паллеты……………14

2.2 Обработка деталей и заготовок……………………………………………..15

2.2.1 Сварка…………………………………………………………………..15

2.2.2 Обработка резаньем……………………………………………………17

2.2.2.1 Сверление………………………………………………………17

2.2.2.2  Бесконтактная обработка заготовок…………………………18

2.3 Нанесение различных составов на поверхность…………………………...20

2.4 Чистовая обработка…………………………………………………………..21

2.5 Испытания и контроль……………………………………………………….22

2.6 Сборка…………………………………………………………………………23

2.7 Монтаж печатных плат………………………………………………………25

Заключение…………………………………………………………………...26

     Список использованной литературы………………………………………..27

Введение

Промышленная робототехника является одним из новых направле­ний автоматизации производственных процессов, начало развития, которого в на­шей стране относится к последнему десятилетию. Комплексный  подход   к   ре­шению технико-экономических и социальных задач,   связанных   с   внедрением их   промышленных роботов   (ПР),   позволил   высвободить   около   2000   рабочих. В процессе создания, производства и внедрения ПР приходилось сталкиваться •с решением ряда   сложных научно-технических   проблем. Получен большой, опыт по разработке робототехнических комплексов (РТК)  и  организации авто­матизированного производства на базе ПР. Все эти вопросы, получившие  отра­жение в предлагаемой книге, представляют, по нашему   мнению, значительный интерес как для широкого круга специалистов,   конструкторов   и   производственников различных отраслей, которые заняты в настоящее  время  работой  по увеличению производства и широкому применению ПР во  всех  отраслях  народного хозяйства, так и для всех специалистов, работающих в   области автомати- зации производственных  процессов.

Современный этап научно-технической революции характеризуется комплексной автоматизацией производства на базе систем машин—автоматов. До недавних пор в основном применяли специализированные автоматы и автоматические линии, незамени­мые в массовом производстве, но нерентабельные в условиях серий­ного и мелкосерийного производства из-за высокой стоимости, а также длительности разработки, внедрения и перена-ладки их на новую продукцию. Традиционное управляемое вручную оборудо­вание обеспечивает достаточную гибкость производства, но тре­бует примене-ния квалифицированного труда рабочих и имеет низкую производительность.

За последние десятилетия автоматизация основных технологи­ческих операций (формообразование и изменение физических свойств деталей) достигла такого уровня, что вспомогательные операции, связанные с транспортировкой и складированием деталей, разгрузкой и загрузкой технологического оборудования, выполняемых вручную либо с помощью существующих средств механизации и автоматизации, являются тормозом как в повыше­нии производительности труда, так и в дальнейшем совер-шенство­вании технологии. Обычными методами с помощью существующих технических средств невозможно автоматизировать сборочные, сварочные, окрасочные и многие другие операции. Все это привело к острым противо-речиям между совершенством промышленной техники и характером труда при ее использовании, потребностью в трудовых ресурсах и их фактическим наличием, требованиями интенсификации производственных процессов и ограниченными психофизиологическими возможностями человека. Эти причины социального, экономического и технического характера, ставшие основными сдерживающими факторами в развитии производства и даль-нейшем повышении производительности труда, а также сов­ременные достижения в создании орудий производства, вычис­лительной техники и электроники привели к бурному развитию робототехники — отрасли, создавшей и производящей новую раз­новидность автоматических машин — промышленные роботы. По замыслу разработчиков эти машины предназ-начены для замены человека на опасных для здоровья, физически тяжелых и уто­мительно однообразных ручных работах. Свое название они полу­чили благодаря реализованной в них идеи моделирования двига­тельных, управ-ляющих и, в некоторой степени, приспособительных функций рабочих, занятых на повторяющихся трудовых опе­рациях по разгрузке-загрузке технологического оборудования, управлению работой этого оборудования, межоперационному перемещению и складированию деталей, а также на различных сборочных, сварочных, окрасочных и других операциях, выполня­емых с применением переносных орудий труда.

Промышленные роботы (ПР) оказались тем недостающим зве­ном, появление которого позволило решать задачи комплексной автоматизации на более высоком уровне, объединяя средства про­изводства предприятия в единый автоматизированный комплекс.

1. Основные сведения о робототехнике

Ближайшими по назначению прототипами для ПР послужили автоопе-раторы и механические руки, уже давно применяющиеся в промышленности, но не удовлетворяющие производственников по причинам их узкой специализации, плохой переналаживаемости, небольшого числа выполняемых функций и ограниченной (массовым и крупносерийным производством) области применения. Недостатки, присущие этим прототипам, в конструкциях ПР были в значительной степени устранены посредством увеличения их манипуляционных возможностей, снабжения собственной системой привода и системой программного управления. Благодаря этому созданные устройства приобрели качественно новые свойства: автономность в смысле невстроенности в технологическое оборудо­вание и способность работать автоматически по заданной про­грамме; универсальность, т. е. способность перемещать в про­странстве объекты различного типа по сложным пространственным траекториям, сопрягаемость с достаточно большим количеством типов технологического оборудования и хорошую переналаживаемость на различные сменяющиеся виды работ.

В настоящее время под роботом понимают автоматический манипуля-тор с программным управлением. В зависимости от участия человека в про-цессах управления роботами их подразде­ляют на биотехнические и авто-номные, или автоматические.

К биотехническим роботам относятся дистанционно управ­ляемые копирующие роботы; экзоскелетоны; роботы, управля­емые человеком с пульта управления; полуавтоматические роботы.

Дистанционно управляемые копирующие роботы снабжены задающим органом (например, манипулятором, полностью иден­тичным исполнитель-ному), средствами передачи сигналов прямой и обратной связи и средствами отображения информации для человека-оператора о среде, в которой функ-ционирует робот.

Экзоскелетоны выполняются в виде антропоморфных конструк­ций, обычно «надеваемых» на руки, ноги или корпус человека. Они служат для воспроизведения движений человека с некоторыми необходимыми усилиями и имеют иногда несколько десятков степеней подвижности.

Роботы, управляемые человеком с пульта управления, снабжа­ются системой рукояток, клавиш или кнопок, связанных с испол­нительными механизмами каналов управления по различным обобщенным координатам. На пульте управления устанавливают средства отображения информации о среде функционирования робота, поступающей к человеку по радиоканалу связи.

Полуавтоматический робот характерен сочетанием ручного и автомати-ческого управления. Он снабжен супервизорным управ­лением для вмешательства человека в процесс автономного функ­ционирования робота путем сообщения ему дополнительной информации   с   помощью   указания   цели,    последовательности действий и т. п.

Роботы с автономным или автоматическим управлением обычно подразделяют на производственные и научно-исследовательские роботы, которые после создания и наладки в принципе могут функционировать без участия человека.

По областям применения производственные роботы подразде­ляют на промышленные, сельскохозяйственные, транспортные, строительные, бытовые и т. п.

За короткий период развития роботов произошли большие изменения в элементной базе, структуре, функциях и характере их использования. Это привело к делению роботов на поколения.

Роботы первого поколения (программные роботы) имеют жест­кую программу действий и характеризуются наличием элементар­ной обратной связи с окружающей средой, что вызывает определен­ные ограничения в их применении.

Роботы второго поколения (очувствленные роботы) обладают коор-динацией движений с восприятием. Они пригодны для малоквалифици-рованного труда при изготовлении изделий. Программа движений робота требует для своей реализации управляющей ЭВМ.

Неотъемлемая часть роботов второго поколения — алгорит­мическое и программное обеспечение, предназначенное для обра­ботки сенсорной информации и выработки управляющих воздей­ствий.

Роботы третьего поколения относятся к роботам с искусствен­ным интеллектом. Они создают условия для полной замены чело­века в области квалифицированного труда, обладают способностью к обучению и адаптации в процессе решения производственных задач. Эти роботы способны понимать язык и вести диалог с чело­веком, формировать в себе модель внешней среды с той или иной степенью детализации, распознавать и анализировать сложные ситуации, формировать понятия, планировать поведение, строить програм-мные движения исполнительной системы и осуществлять их надежную отработку.

Появление роботов различных поколений не означает, что они последовательно приходят на смену друг другу. В процессе разви­тия совершенствуются функциональные возможности и техниче­ские характеристики роботов различных поколений.

К роботам первого поколения относят обычно промышленные роботы. По количеству внедренных ПР наша страна занимает одно из ведущих мест в мире.

Блок-схема ПР представляет собой сложную конструкцию (рис.1), включающую ряд систем: механическую, приводов управления, связи с оператором, информационную, а также опе­рационное устройство.

Рисунок 1- Блок-схема промышленного робота.

Механическую систему выполняют, как правило, в виде манипулятора, имеющего несколько степеней подвижности, укрепленного на неподвижном или подвижном

основании; она обеспечивает перемеще­ние рабочего органа с определенным грузом. Форма и габаритные размеры манипулятора определяются видом и особенностями технологического про­цесса, для которого он предназначен. Созданные модели ПР представляют собой по существу многокоординатные манипуляторы с программным управ­лением, программируемые по первому циклу. Их системы управления помимо основных функций по управлению дви­жением рабочих органов манипуля­тора обеспечивают выдачу сигналов на обслуживаемое оборудование, прием сигналов от простейших датчиков внеш­ней информации, работающих по принципу Да—Нет, и использова­ние этих сигналов в целях выбора той или иной подпрограммы работы из числа заданных оператором. Наличие внешнего контура управ­ления существенно расширило области применения созданных ПР, так как позволило использовать их по отношению к автоматизи­рованному процессу не только в качестве универсальных манипу­лирующих, но также и в качестве управляющих устройств. Наличие датчиков и соответствующих электронных схем внешней информации придало этим ПР принципиально новую способность адаптации к изменяющимся условиям работы.

Привод для каждой из координат ПР обеспечивает силовое воздействие на соответствующий механизм, осуществляющий задаваемое перемещение. Приводом служит автоматическая си­стема, входным сигналом которой является детерминированное воздействие управляющей системы, а выходным сигналом — механическое перемещение.

Разработка типажа ПР, имеющего существенное значение для организации их производства, проведения научно-исследователь­ских и опытно-конструкторских работ еще не закончена. В настоя­щее время наиболее разработан типаж ПР первого поколения. Так, например, в станкостроительной и инструментальной про­мышленности по структуре типаж этих ПР подразделяют на сле­дующие группы и подгруппы: универсальные ПР, обслужи­вающие различное технологическое оборудование и выполняющие различные основные технологические операции; целевые ПР подъемно-транспортной группы (многоцелевые), обслуживающие различное технологическое оборудование, выполняющие транс-портно-складские и специальные работы; целевые ПР производ­ственной группы (многоцелевые) для выполнения различных техно­логических операций сварки, очистки и подготовки деталей, окраски и нанесения по­крытий, разборки, кон­троля, измерения, отбра­ковки, разметки и сборки.

2. Основные задачи

Рассмотрим конкретные задачи, которые роботы решают в настоящее время на промышленных предприятиях. Их можно разделить на три основных категории:

                            - манипуляции заготовками и изделиями

                            - обработка с помощью различных инструментов

                            -сборка.

2.1 Манипуляции изделиями и заготовками

При разгрузочно-загрузочных и транспортных операциях робот заменяет пару человеческих рук. В его обязанности не входят особенно сложные процедуры . Он всего лишь многократно повторяет одну и туже операцию в соответствии с заложенной в нем (роботе) программой . Рассмотрим типичные применения таких роботов .

2.1.1 Загрузочно-разгрузочные работы

Во многих отраслях машиностроительной промышленности используются установки для литья, резки и ковки. В большинстве случаев последовательность выполняемых ими операций весьма проста. Вначале заготовки загружают в производственную установку, которая затем обрабатывает их строго определенным образом, и, наконец, готовые детали извлекают из нее. Загрузку и разгрузку, как правило, выполняют рабочие или в тех случаях, когда применимы средства жесткой автоматизации, специализированные механизмы, рассчитанные на операции только одного вида. Роботы могут здесь оказаться полезными, если характер таких загрузочно-разгрузочных операций время от времени меняется.

         Например, в литейном производстве роботы используются как для дозированной разливки расплавленного алюминия , так и для извлечения из пресс-формы затвердевших отливок и охлажденияих . Такой подход обладает двумя преимуществами . прежде всего роботы гарантируют более строгое соблюдение требований технологического процесса : действую и соответствии с заданной программой , они всегда вводят в установку точно дозированное количество металла. Затем в строго определенные моменеты времени они извлекают из нее отформованные  детали. Благодоря точному соблюдению технологического процесса строго соблюдаются и характеристики изделий .

         Второе преимущество данного подхода заключается в том , что значительно облегчается работа оператора . Извлечение раскаленного куска металла из пресс-формы одна из мало привлекательных работ , и желательно , чтобы ее выполнял робот . Таким образом роль человека сводится к контролю за протеканием процесса и управлению действиями робота с помощью компьютера.

2.1.2 Перенос изделий с одной производственной установки на другую

         Во многих отраслях машиностроительной промышленности погрузочно-разгрузочные механизмы предназначены для перемещения изделий с одного производственного участка на другой . И при выполнение таких перемещений роботы играют немаловажную роль .

       На заводе фирмы IBM в Пикипси (шт. Нью-Йорк), выпускающем компьютеры, роботы загружает магнитные диски в систему, где на них записывается необходимая информация. Программа , управляющая роботом , содержит инструкции относительно того, в какую из четырех установок для записи следует загружать тот или иной “пустой” диск. Кроме того, программа задает конкретный набор команд, который соответствующая установка должна занести на диск . Тот же робот осуществляет и два других этапа этого технологического процесса. Он извлекает диск из записывающей установки и помещает его в устройство, которое струей сжатого воздуха прижимает к поверхности диска самосклеивающуюся метку. Затем робот вынимает диск с помощью захватного приспособления и упаковывает его конверт.

         Подобный робот разработан и внедрен на английском автомобилестроительном заводе. Он передвигается на гусеницах между пятью производственными участками завода. Робот извлекает пластмассовую деталь автомобиля из установки для инжекторного пресования и последовательно переносит деталь на доводочные участки, где с нее снимаются облои и заусенцы. Далее робот помещает деталь на специализированный станок, который полирует ее. И наконец деталь перемещается с полировального станка на конвеер.

2.1.3 Упаковка

         Практически все бытовые и промышленные товары необходимо упаковывать, и для роботов не представляет сложности поднимать готовые изделия и помещать в какую-либо тару.

         На заводах одной из кондитерских фирм Англии специализированные роботы занимаются укладкой конфет в коробки. Эти машины весьма сложны и совершенны. Во-первых они обращаются с продукцией очень аккуратно: сжав шоколадное изделие, они могут нарушить его форму или раздавить его. Во-вторых, робот соблюдает высокую точность при укладке конфет в коробки, помещая их в определенные ячейки коробки.

2.1.4 Погрузка тяжелых предметов на конвейер или паллеты

         Помимо упаковки миниатюрных изделий, а также промышленных и бытовых товаров роботы иногда выполняют и погрузку тяжелых предметов. По существу они здесь заменяют подъемно-транспортные машины, управляемые оператором-человеком.

2.2 Обработка деталей и заготовок

         Хотя роботы, выполняющие обработку изделий с помощью различных инструментов и нашли пока менее широкое применение, чем аналогичное оборудование для транспортировки деталей и заготовок, они про-демонстрировали свою эффективность при решении многих задач.

2.2.1 Сварка

         Эта операция чаще всего выполняется с помощью роботов , предназначенных для манипулирования инструментом . роботы могут осуществлять два вида сварки : точечную контактную и дуговую . В обоих случаях робот удерживает сварочный пистолет , который пропускает ток через две соединяемые металлические детали .

         В соответствии с управляющей программой сварочный пистолет может перемещатся практически не отклоняясь от заданной траектории . И если программа отлаженна хорошо , сварочный пистолет прокладывает шов с очень высокой точностью .

         Большинство роботов для точечной сварки применяется в автомобильной промышленнсти. При сборке автомобиля необходимо выполнить огромное количество операций точечной сварки , чтобы надлежащим образом соединить между собой различные детали кузова, например боковины, крышу и капот. На современных конвейерах эти детали вначале соединяются временно несколькими прихваточными сварными соединениями . Далее кузов перемещается по конвейеру мимо группы роботов, каждый из которых осуществляет сварку встрого определенных местах. Поскольку все кузова, монтируемые на одной производственной линии , для получения высококачественных соединений просто требуется , чтобы робот каждый раз повторял заданную последовательность перемещений .

         При очевидных преимуществах такого использования роботов существует ряд и серьезных технических проблем. Запрограммировать робот весьма непросто. Необходимо не только задать точный маршрут движения манипулятора, но и подготовить инструкции, в соответствии с которыми регулируется напряжение и сила тока в каждой точке маршрута. А эти параметры могут меняться, например, в зависимости от толщины свариваемого материала или от того, какую форму имеет прокладываемый шов - прямую или криволинейную.

         Также необходимо сконструировать фиксаторы , удерживающие детали в процессе сварки таким образом, чтобы сварка осуществлялась при высокой точности позиционирования. Когда сварочный пистолет держит человек , он способен учитывать незначетельные смещения заготовки. Сварщик-человеку лишь слегка сместит инструмент, с тем чтобы выполнить шов в заданном месте . Робот же не способен принимать подобные решения , если фиксаторы допускают перекос или смещение, то существует вероятность того ,что сварные швы будут расположенны с отклонением. Кроме того, фиксатор должен быть таким, чтобы манипулятор имел доступ к детали с разных сторон.

         Следующая проблема касается допусков на изготавливаемые детали. Сварщик-человек принимает во внимание неизбежные отклонения в размерах, но роботу подобная коррекция не под силу. Таким образом, когда сварка осуществляется с помощью автоматики, допуски на детали, изготавливаемые на других участках предприятия, должны быть минимальными.

         Характер воздействия, которое роботы оказывают на другие этапы производственного процесса (весьма вероятно , что оно приведет к тесной привязке всех технологических операций ), называется “принципом домино” в робототехнике.

2.2.2 Обработка резаньем

2.2.2.1 Сверление

Как правило операцию сверления осуществляют на станке. При использовании робота в его захватном приспособлении закрепляется рабочий инструмент , который перемещается над поверхностью обрабатываемой детали , высверливая отверстия в нужных местах . Преимущество подобной процедуры проявляется в тех случаях , когда приходится работать с крупногабаритными и массивными деталями или проделывать большое число отверстий.

         Операции сверления играют значительную роль в производстве самолетов: они предшествуют клепке, при которой в отверстия вставляются миниатюрные зажимные детали, скрепляющие между собой два листа металла. В деталях самолетов необходимо проделывать сотни, а то и тысячи отверстий под заклепки, и вполне естественно , что такую операцию поручили роботу .

         Английская компания изготавливает детали механизма бомбосбрасывания, предназначенного для истребителя “Торнадо”.  Механизм представляет собой цилиндрическую конструкцию длиной примерно 6м, к которой требуется приклепать кожух из восьми металлических панелей. В кожухе необходимо просверлить около 3000 отверстий под заклепки. Проблема заключалась в том, как добиться, чтобы робот, оснащенный высокоскоростной сверлильной головкой , проделывал отверстия точно в заданных местах .

         Инженеры пришли к выводу, что данную проблему можно решить следующим образом: рабочий просверливает ряд эталонных отверстий (примерно через метр друг от друга) вдоль панелей , которые размещаются надлежащтм образом поверх цилиндрической конструкции . Манипулятор с закрепленным в его зажиме сенсорным зондом (а не сверлом) перемещается над поверхностью заготовки , посылая в память робота данные о местонахождении эталонных отверстий . Затем робот расчитывает точные координаты остальных отверстий , исходя из этих базовых точек . Затем робот , завершив операцию сверления , удаляет оставшиеся в отверстиях крошечные частицы металла специальным инструментом.

2.2.2.2  Бесконтактная обработка заготовок

Из-за малой жесткости и недостаточной твердости, роботы не могут проводить обработку твердых материалов резаньем. Поэтому инженеры изучают бесконтактные методы обработки материалов, подобных металлу или пластику. Для этой цели, в частности, используется лазер. В рабочем органе робота закреплен прибор , который направляет высокоэнергетическое когерентное излучение лазера (для чего нередко используется волокно-оптическая система передачи) на обрабатываемую заготовку . Лазер может с высокой точностью резать пластины из металла, в частности стали. Робот перемещает рабочий орган над обрабатываемым листовым материалом по траектории, определяемой программой. Программой же регулируется интенсивность светового луча в соответствии с толщиной нарезаемого материала .

         Другой бесконтактный метод резанья основан на использовании струи жидкости. Такой подход впервые применила компания “Дженерал моторс”. На ее заводе в Адриане установлена система с 10 роботами, изготавливающая пластмассовые детали нефтеналивных цистерн. Восемь из десяти роботов напрявляют водяные струи под высоким давлением на перемещаемые конвеером пластмассовые листы. Эти струи прорезают в исходном материале ряд отверстий и щелей, а также удаляют лишние элементы пластмассовых прессованых деталей. по утверждению представителей компании “Дженерал моторс”, подобная роботизированная система весьма экономична , поскольку исключает износ инструмента и позволяет повысить качество операций резанья. Поскольку система управляется программой, которая находится в памяти центрального компьютера, для контроля и обслуживания всех 10 роботов требуется только два оператора.