скачать книгу бесплатно
Робототехника в промышленности
Юрий Степанович Почанин
В книге подробно в популярном виде рассмотрены основные конструктивные элементы промышленных роботов, а именно, механическая система, информационно-измерительная система, системы управления. Описаны принципы работы датчиков внешней информации, к которым относятся датчики технического зрения, силомоментные, локационные, тактильные, температуры и химические, датчиков внутренней информации роботов. к которым относятся датчики линейных, угловых перемещений и скоростей, датчики, измеряющие давление, силу и крутящих моментов звеньев манипулятора. Рассмотрены области применения промышленных роботов в производстве на сборочных операциях, механической обработке деталей, на сварочных работах, в литейном , прессовом и штамповочном упаковочном производствах, а также при транспортировки грузов в цехах и складах (транспортные роботы).
Юрий Почанин
Робототехника в промышленности
Введение
Широкое распространение в производственной деятельности человека получили сегодня промышленные роботы. Они служат одним из эффективнейших средств механизации и автоматизации транспортных и погрузочных работ, а также многих технологических процессов.
С появлением станков с числовым программным управлением (ЧПУ) возникла необходимость в создании программируемых манипуляторов для разных операций по загрузке и разгрузке станков. Так в 1954 году американский инженер Д. Девол запатентовал способ управления погрузочно-разгрузочным манипулятором с помощью сменных перфокарт. Вместе с Д. Энгельбергом в 1956 г. он организовал первую в мире компанию по выпуску промышленных роботов. (универсальная автоматика). Позже в 1962 году в Соединенных Штатах были созданы первые промышленные роботы названные «Юнимейт» и «Версатран». Их сходство с человеком ограничивалось наличием манипулятора, отдаленно напоминающего человеческую руку. Что интересно, некоторые из них работают до сих пор, превысив 100 тысяч часов рабочего ресурса. «Юнимейт» мог перемещать объекты массой до 12 кг с точностью 1,25 мм.
Робототехника- это новое комплексное научно-техническое направление, включающее разработку, создание и использование манипуляторов, роботов и роботизированных технологических комплексов (http://electricalschool.info/automation/2062-roboty-i-robototehnicheskie-ustroystva-terminy-i-opredeleniya.html), а также связанные с этим организационные, социально-экономические и психологические аспекты, требующие нового научного подхода.
Промышленный робот стал еще одним шагом в развитии гибкой автоматизации для оптимизации производства с возможностью не только постоянно повторять одни и те же операции с гарантированной точностью, но и с возможностью простого перепрограммирования в случае изменения производственной программы пользователя.
Уровень и способы автоматизации производства существенно зависят от его вида и масштабов, и если в массовом и крупносерийном производстве наиболее оправданным является использование автоматических линий, то в среднесерийном и мелкосерийном и единичном производстве комплексная автоматизация (http://electricalschool.info/automation/2408-chastichnaya-kompleksnaya-i-polnaya-avtomatizaciya.html) стала возможной с появлением ЭВМ, станков с ЧПУ и промышленных роботов. На базе технологического оборудования с числовым программным управлением (http://electricalschool.info/automation/2170-kak-ustroeny-i-rabotayut-stanki-s-chpu.html) и промышленных роботов компонуются многономенклатурные линии, участки, цеха, получившие название гибкого автоматизированного производства.
Следует отметить, что основным направлением гибкой автоматизации является роботизация. Основным принципом построения таких гибких производств является модульность. Автоматизация гибкого производства развивается от простого к сложному – первоначально создаются и внедряются гибкие производственные модули (ГПМ), на их основе строятся гибкие производственные комплексы (ГПК) и, наконец, гибкие автоматизированные производства (ГАП).
Дальнейшим их развитием является создание практически безлюдного автоматического производства, где гибкие автоматизированные производства дополняется системами автоматизированного проектирования выпускаемых изделий (САПР) и технологической подготовки их производства, планирования и диспетчерского управления (АСУП).
Промышленные роботы могут выполнять задачи, которую раньше могли выполнять только люди. Кроме того, изменился характер производства – около 80% изделий изготовляется малыми сериями. Автоматизация производства поэтому становится одним из существенных рычагов повышения производительности труда в мелкосерийном производстве (экономический фактор).
Исследования показывают, что при использовании на отдельных операциях один промышленный робот в зависимости от сменности работы заменяет 1-3 рабочих, повышает производительность труда на 60-80% и снижение затрат на подготовку производства на 45-50%. При групповом использовании эффективность промышленных роботов резко возрастает: производительность увеличивается не менее чем в 3-5 раз, а в отдельных случаях в 8-10 раз, относительно уменьшаются капитальные вложения и расходы на обслуживание, повышаются интенсивность и ритмичность производства, сменность, качество продукции, сокращается количество брака.
По данным аналитического отдела ГПБ Инвестиции на 2020 год в мире установлено 373240 промышленных роботов, сферы их применения представлены на диаграмме, рис. В.1.
Рис.В1. Сферы применения промышленных роботов в мире
По этим данным видно, что основное применение роботов в мире является перемещением, а также для сварки и пайки. С усовершенствованием и появлением новых технологий функционал у производственных аппаратов увеличится.
Глава 1. Классификация промышленных роботов
В соответствии с международным стандартом ISO 8373:2012 «Robots and robotic devices— Vocabulary» роботом является приводной механизм, который можно запрограммировать по двум и более осям, имеющий некоторую степень автономности, движущийся внутри своей рабочей среды и выполняющий задачи по предназначению», где «автономность – способность выполнять задачи по предназначению, основанная на текущем состоянии изделия и особенностях считывания данных без вмешательства человека».
В более широком понимании современный робот – механизм, выполняющий запрограммированные действия, который воспринимает окружающий мир с помощью сенсоров (датчиков, микрофонов, камер), строит модели поведения, чтобы выполнять определенную программу, и способен воздействовать на физический мир тем или иным способом.
Роботом можно назвать любое устройство или механизм, который выполняет предназначенные ему действия и одновременно отвечает трём условиям:
–воспринимает окружающий мир с помощью сенсоров, такими сенсорами могут быть микрофоны, камеры (всех областей электромагнитного спектра), различные электромеханические сенсоры, датчики и прочее;
–понимает окружающий мир и строит модель поведения, чтобы выполнять предназначенные ему задачи;
–воздействует на физический мир.
Если хотя бы одно из условий не выполняется, то такое устройство нельзя назвать роботом.
В соответствии с ГОСТом Р 60.0.0.2-2016 “Роботы и робототехнические устройства” промышленные роботы подразделяются на две большие группы:
–промышленные манипуляционные роботы, выполняющие основные технологические операции;
–промышленные транспортные роботы, осуществляющие межцеховые и внутрицеховые перемещения грузов, на транспортном роботе могут быть установлены манипуляционный робот или другое устройство для выполнения погрузочно-разгрузочных работ.
В свою очередь промышленные манипуляционные роботы классифицируются по следующим признакам:
–специализация;
–грузоподъемность;
–способ управления;
–способ программирования;
–тип привода;
–возможность передвижения;
–выполняемая технологическая операция;
–кинематическая схема;
–способ установки на рабочем месте.
По специализации промышленные манипуляционные роботы подразделяются на:
–специальные;
–специализированные;
–универсальные.
По грузоподъемности подразделяют на:
–сверхлегкие – роботы грузоподъемностью меньше 1 кг;
–легкие – роботы грузоподъмностью от 1 до 10 кг;
–средние – роботы грузоподъемностью от 10 до 200 кг;
–тяжелые – роботы грузоподъемностью от 200 до 1000 кг;
–сверхтяжелые – роботы грузоподъемностью свыше 1000 кг.
По количеству манипуляторов подразделяются на:
–одноманипуляторные (однорукие);
–двурукие;
–трехрукие;
–четырехрукие.
По быстродействию можно разбить на три следующие группы: -малое–при линейных скоростях по отдельным степеням подвижности до 0,5м/с;
–среднее—при линейных скоростях свыше 0,5 до 1 м/с;
–высокое—при линейных скоростях свыше 1 м/с.
По способу управления промышленные манипуляционные роботы подразделяют на:
–роботы с ручным управлением – копирующие манипуляторы;
–роботы с программным управлением – все действия и движения робота определены в программе, последовательность команд в которой является постоянной или изменяется в функции от контролируемых параметров внешней среды, идентифицируемых по наличию или отсутствию сигналов одного или нескольких измерительных устройств или других (как правило, релейного типа) входных сигналов.
К роботам с программным управлением относятся также роботы, конструкция которых обеспечивает возможность их приспособления к изменяющимся условиям внешней среды (например, механизм само ориентации или податливости захватного устройства при взаимодействии с неориентированным объектом);
– роботы с адаптивным управлением – роботы, снабженные датчиками для восприятия внешней среды, обеспечивающими автоматическое изменение последовательности команд в программе, определяющей действия и движения робота, в функции от контролируемых параметров состояния внешней среды, идентифицируемых при помощи специальных алгоритмов обработки данных, поступающих от датчиков (например, для определения положения и ориентации детали на конвейере).
Промышленные манипуляционные роботы с программным и адаптивным управлением по способу формирования траектории движения подразделяют на:
–роботы с цикловым управлением – управляющая программа определяет жесткую последовательность движений робота по степеням подвижности;
роботы с позиционным управлением – управляющая программа определяет последовательность точек позиционирования без контроля траектории движения между ними;
–роботы с траекторным управлением – управляющая программа определяет движение рабочего органа робота по заданной траектории без контроля скорости перемещения по траектории.
–роботы с контурным управлением – управляющая программа определяет движение рабочего органа робота по заданной траектории с установленным распределением во времени значений скорости и ускорения.
По способу программирования промышленные манипуляционные роботы подразделяют на:
–роботы, программируемые копированием;
–роботы, программируемые обучением;
–роботы, программируемые аналитически;
–роботы, программируемые целеуказанием.
По типу привода промышленные манипуляционные роботы подразделяют на:
–роботы с электромеханическими приводами;
–роботы с гидравлическими приводами;
–роботы с пневматическими приводами;
–роботы с комбинированными приводами.
По возможности передвижения промышленные манипуляционные роботы подразделяют на:
–стационарные роботы;
–подвижные роботы.
Как правило, подвижные манипуляционные роботы перемещаются между обслуживаемыми ими станками по монорельсу, установленному на полу или над станками. Большинство существующих промышленных манипуляционных роботов относятся к классу стационарных роботов.
По выполняемой технологической операции промышленные манипуляционные роботы подразделяют на:
–универсальные роботы – роботы, осуществляющие разные технологические операции в зависимости от установленного рабочего органа;
–сборочные роботы – роботы, осуществляющие сборочные операции, к данному типу роботов относятся также роботы, осуществляющие разборку узлов;
–сварочные роботы – роботы, осуществляющие сварочные операции, к данному типу роботов относятся также роботы, осуществляющие пайку;
–окрасочные роботы – роботы, осуществляющие окрасочные операции;
–перегрузочные роботы-роботы, осуществляющие погрузочно-разгрузочные операции;
– упаковочные роботы- роботы, осуществляющие упаковочные операции;
–измерительные роботы-роботы, осуществляющие измерительные операции;
–обрабатывающие роботы – роботы, осуществляющие операции механообработки (шлифовка, удаление заусениц, резка и т.п.).
Различают глобальные, региональные и локальные движения промышленного робота.
Глобальные (межоперационные) движения—это перемещения ПР на расстояния, превышающие размеры самого робота, при обслуживании технологических объектов (линий). От возможности совершать глобальные движения зависит мобильность робота, и для их реализации робот снабжается подвижным основанием (в противном случае робот является стационарным).
Региональные движения – это перемещения рабочих органов ПР в пределах его зоны обслуживания. Конфигурация и размеры этой зоны определяются геометрическими параметрами звеньев руки робота. Таким образом, региональные движения относятся к внутри операционным.
К локальным движениям рабочих органов ПР принято относить перемещения на расстояния, не превышающие их размеров. Это главным образом ориентирующие движения кисти при выполнении технологических операций.
Как ориентирующие, так и транспортирующие движения должны выполняться с высокой точностью совокупного участия всех звеньев кинематической структуры ПР. Поэтому при создании роботов, следует учитывать не только наличие звеньев, обеспечивающих совокупность движений, но также вид и последовательность их расположения в структуре.
1.1. Классификация по кинематической схеме
Решая задачи производства, рабочий орган манипулятора промышленного робота совершает требуемые движения, транспортируя объект или выполняя технологическую операцию. Перемещение рабочего органа осуществляется исполнительным механизмом, являющимся механической частью исполнительного устройства промышленного робота. Исполнительный механизм (ИМ) представляет собой систему твердых упругих тел, соединенных между собой. Эти твердые тела, являясь функциональными элементами кинематической цепи промышленного робота, называются звеньями.
Соединение звеньев механической системы в кинематическую цепь осуществляется с помощью кинематических пар. В большинстве своем это пары вращательные или поступательные, обеспечивающие одну степень свободы. Совокупность некоторого числа подвижных звеньев обеспечивает механизму определенное число степеней подвижности.
Кинематическое звено – совокупность жестко соединенных друг с другом тел, входящих в состав механизма, в данном случае в состав манипулятора. Входное кинематическое звено – это звено, получающее независимое, заданное движение.
Конструктивно звенья могут быть образованы несколькими деталями, неподвижными относительно друг друга. Неподвижное звено принято называть основанием или стойкой. Звено же, которому передастся движение для преобразования исполнительным механизмом в необходимые движения других звеньев – входное. Звено, реализующее движение, для выполнения которого предназначен ИМ, называют выходным или конечным. Максимальное количество таких звеньев определяется числом степеней подвижности исполнительного механизма. Между входным и выходным звеньями находятся промежуточные звенья.
Движения звеньев манипулятора (М) по заданным траекториям невозможны без наложения на их определенные точки, линии или поверхности пространственно-кинематических связей, объединяющих эти звенья в кинематическую цепь.
