Промышленный Робот Манипулятор

Машиностроение - одна из важнейших отраслей современной индустрии. За последние годы техническая оснащенность производства совершила качественный скачок. Повысилась автоматизации труда, в которой особая роль принадлежит промышленным роботом. Особое, потому что использование роботов в производстве может полностью освободить человека от выполнения непроизводительных вспомогательных операций. Человек создал сложнейшие машины, научил их работать самостоятельно по программе, но на его долю осталось ещё много утомительной и однообразной работы которую пока они могут выполнять автоматы.

Современный станок с ЧПУ почти все делает без участия человека. Почему почти? Потому что установить и снять деталь, убрать стружку и смазать станок сегодня еще выполняет рабочий. Операции которые мы привыкли считать простыми оказываются только тогда простыми когда их выполняет человек.

Сегодня в машиностроении трудятся десятки миллионов рабочих. Несмотря на высокую степень автоматизации производства сколько еще рабочих продолжают выполнять однообразные и трудоемкие работы. Автоматизировать такие операции с помощью традиционных средств сложно, а иногда и невозможно. Либо система получается пригодны только для определенного узкого класса изделий, либо оказывается очень сложной и дорогой, дороже самого оборудования.

На таких операциях нужны особые автоматы - автоматы имитирующие подвижность и универсальность рук человека. Последние годы мы стали свидетелями стремительного развития нового средства автоматизации - промышленных роботов, которые успешно заменяют человека на всевозможных ручных операциях. Применение роботов имеет и большое социальное значение. Робот может работать несколько смен освободив человека для творческой деятельности.

Современные роботы не особо похожи на роботов знакомых нам по фантастическим романам и все же мы безошибочно узнаем - это промышленный робот. Он действует автоматически по программе составленной оператором. В этом смысле он подобно станку с ЧПУ.

Промышленный робот это автоматический манипулятор работающий по легко изменяемой программе, именно это свойство позволяет использовать его как универсальное средство автоматизации производства. Промышленный робот состоит из двух основных частей:

• механическая часть одного или нескольких манипуляторов;
• управляющее устройство.

Раньше всего появились манипуляторы управляемые человеком и повторяющие его движения, поэтому их и называли - копирующие манипуляторы. Наибольшее распространение они получили в условиях которые вредны человеку: высокая загазованность, повышенная радиация.

Механическая рука робота не может воспроизвести всей сложности и многообразие движений руки человека, впрочем, это и не нужно. Известно, что любое твердое тело в пространстве имеет шесть степеней свободы. Оно может совершать поступательные движения по трем взаимно перпендикулярным осям и вращательные движения относительно их. Для перемещения предметов по прямой нужна одна степень подвижности. Если необходимо переместить предмет из одной точки в другую в одной плоскости - нужны две степени подвижности. Для перемещения предмета из одной точки пространства в другую требуется третья степень подвижности.

Для примера рассмотрим промышленный робот обслуживающий 2 токарных станка. Манипуляторы роботов имеют несколько подвижных звеньев у которых общее число степеней свободы может быть более 6. Степени свободы принято называть степенями подвижности робота и чем их больше тем более сложные движения может совершать манипулятор. Наличие двух манипуляторов позволяет значительно сократить время обслуживания станка. В нашем случае, каждый манипулятор робота имеет три степени подвижности. В качестве рабочего органа захватного устройства в нашем примере применен механический схват.

Манипуляторы роботов в зависимости от конструктивных решений могут иметь прямоугольную, цилиндрическую, сферическую систему координат или их различные комбинации. Число степеней подвижности и тип системы координат являются важнейшими характеристиками промышленных роботов.

Еще одной важнейшей характеристикой робота является рабочая зона. Рабочая зона промышленного робота - это пространство в котором перемещается манипулятор робота. Величина рабочей зоны определяется линейными размерами и диапазоном движений манипулятора по степеням подвижности.

При перемещении деталей от накопителя к станку робот совершает вертикальные движения. Грузоподъемность, точность позиционирования и скорость перемещения звеньев манипулятора важные характеристики той или иной модели промышленного робота.

Руки у всех людей устроены одинаково, а конструкции рабочих органов роботов схватов чрезвычайно разнообразны. Эти устройства - сменная часть манипулятора, их конструкция определяется характеристиками (форма, размеры, материал) детали с которой работает промышленный робот. Схват робота можно заменить специальным рабочим инструментом для выполнения определенной производственной операции.

При составлении рабочей программы обычно выполняются последовательно все движения робота. Так строится полная программа будущего цикла работы. В процессе самостоятельной работы этот цикл робот повторяет многократно. Если деталь не ориентирована нужным образом или она отсутствует, то робот работает в холостую. Все это ограничивает область его применения.

Эти ограничения можно снять если снабдить робот чувствительными устройствами помогающими ему самому, без помощи человека ориентироваться в окружающей среде. Это устройства типа зрения, слуха, осязания. Потребность в таких системах уже назрела например для взятия деталей с ленты конвейера.

Ученые и инженеры стараются научить роботы видеть, узнавать предметы и ориентироваться среди них. Ведутся разработки системы управления роботом по команде голосом. Все эти работы относятся к созданию роботов следующего поколения - очувственных роботов с адаптированным управлением.

Сегодня на промышленных предприятиях широко используются роботы первого поколения, которые строго выполняют заложенную них программу и успешно работают на многих операциях. Первые образцы промышленных роботов появились на рабочих местах в 60-е годы теперь их уже много тысяч. В нашей стране на машиностроительных предприятиях используются разнообразные типы промышленных роботов.

Так на тихвинском филиале кировского завода, в советский период была внедрена в производство и составлена линии из роботов «Циклон-3Б» на операции холодной штамповки диска сцепления к трактору «К-701 Кировец». Небольшой вес, плоские формы, магнитопроводящий материал заготовки позволили использовать вакуумные присоски и электромагнитные схватки. Грузоподъемность робота составила 3 килограмма для каждого манипулятора, точность позиционирования ± 0,1 мм. Один манипулятор убирает готовую деталь, второй - перекладывает деталь со штампа за штамп. Ранее, такую операцию по штамповке выполняли шесть человек, работали они в две смены. Теперь эту работу выполняют два робота, оператор только контролирует качество работы.

Труд операторов стал более квалифицированным, интересным, повысилась производительность труда. Тот же объем работы промышленные роботы выполняют теперь за одну смену.

На операции сварки кабины автомобиля «КамАЗ» промышленные роботы выполняют значительный объем работы. Вместо схваток установлен рабочий инструмент - сварочные клещи. Время сварки одной кабины на линии чуть больше минуты.

Окрасочные работы считаются вредными для здоровья, но они необходимы в любом производстве. Теперь окраска на многих предприятиях выполняется с помощью промышленных роботов.

Наибольший экономический эффект дает групповое применение роботов и создание на их основе комплексно-автоматизированных участков и цехов. Если, к примеру, ко всем прессам и механизмам линии поставить рабочих потребуется не менее 25 человек, с использованием роботов количество персонала удалось сократить до 8 рабочих.

Промышленные роботы заменяют человека в цехе, где условия труда считаются вредными. Теперь нагретая до 1500°С деталь (коленчатый вал) массой 120 килограммов перемещается по автоматизированной линии без участия человека.

На Петродворцовом часовом заводе линии специализированных мини роботов последовательно, операция за операцией, производят сборку отдельных узлов точнейшего механизма - часов. Сборка часов всегда считалась только ручной работой человека, но оказывается и такие операции могут выполнять роботы. Опыт эксплуатации этих роботов показал, что они не только с успехом заменили 250 работниц на однообразных операций, но и позволили улучшить качество часов и повысить производительность труда в 6 раз.

Сфера применения робототехники быстро расширяется и уже охватывает различные отрасли промышленности, транспорта, сельского хозяйства. Однако основной областью применения роботов остается промышленность и прежде всего машиностроение.

Современное обрабатывающее оборудование подразделяется на три основных класса. Первый, самый многочисленный и представительный класс, - станки с ЧПУ. Второй - производственные комплексы на базе программируемых логических контроллеров (PLC), и третий - наименее многочисленный, но самый динамично развивающийся класс - робото-технологические комплексы (РТК), выполненные на базе промышленных роботов манипуляторов. При этом технические характеристики современных промышленных роботов достигли таких значений, что уже позволяют использовать их при таких технологических операциях, которые ранее выполнялись исключительно с помощью станков с ЧПУ используя эти возможности, компания Кука Roboti̇cs первой среди производителей промышленных роботов стала развивать свою концепцию применения промышленных роботов в приложениях, традиционно считавшимися прерогативой станочного оборудования с ЧПУ.

Отрасли, где в настоящее время с успехом используются обрабатывающие центры, выполненные на базе роботов:

• Аэрокосмическая отрасль: сверление, обрезка, клепка, укладка слоев ленточных материалов.
• Литейное производство: обрезка литников и прибылей, фрезеровка, снятие заусенцев.
• Деревообработка: сверление, фрезерование, пиление, обработка кромок, полирование.
• Обработка камня: фрезерование, распиловка, шлифовка, полировка.
• Моделирование: фрезерование, сверление.
• Металлообработка: резание, фрезерование, сверление, пиление.

Существенной отличительной особенностью таких РТК является, то что для разработки управляющих программ не обязательно знать язык программирования роботов (в случае с Kuka -это язык KRL). Система управления робота «понимает» так привычные для программистов станков с ЧПУ CNC-коды. В настоящее время, в силу распространенности систем с чпу наработан огромный технологический опыт использования 5-координатных машин в указанных выше приложениях, имеется значительное количество программных пакетов для различных технологических применений.

Подавляющее большинство таких пакетов на выходе дают управляющие программы, сгенерированные в соответствии с набором команд DIN ISO code (G-Code). Способность роботов Kuka работать с этими программами существенно облегчает освоение новых возможностей РТК для операторов и технологов, превращая робот, с точки зрения оператора или программиста-технолога, по сути в станок с ЧПУ. Однако в отличие от станка с ЧПУ такое использование промышленных роботов манипуляторов обеспечивает дополнительный ряд преимуществ:

• Робот заменяет станок: полный набор команд; стандартные функции G, M, S, T, L; дополнительные функции и команды; комбинирование ЧПУ с сенсорикой робота.
• Большая рабочая зона: дешевле по сравнению с большинством станков; высокая степень свободы; гибкость в установке; требует мало площади для размещения.
• Удобство использования: прямой интерфейс с CAD/CAM системами; выполнение G­-кодов, нет необходимости в обучении операторов ЧПУ; копирование программ.
• Высокая точность: контроллер считывает большое количество точек вперед; сплайн интерполяция; различные компенсационные модули.

Одним из наиболее распространенных видов ЧПУ машин являются машины для листообработки, выполненные на базе координатных столов. Чаще всего это портальные машины с числом степеней свободы 2, 3 реже 5 и предназначенные для различных видов резки, таких как лазерная, плазменная, гидроабразивная или газовая. И даже здесь в листообработке роботы уже находят применение, обеспечивая своим владельцам ряд очевидных преимуществ. Ряд научно-производственных компаний России стали разрабатывать и предлагать установки для листообработки на базе роботов, «понимающих» обычные CNC-программы. В настоящее время компании предлагают гидроабразивные, лазерные плазменные, и газовые РТК с размерами столов до 36 м и с существенно большими функциональными возможностями, чем у аналогичных портальных установок.

По сравнению с традиционно применяемыми 5-ти осевыми системами на базе координатных столов, установки выполненные с применением роботов манипуляторов, при сопоставимых, а порой и меньших ценах, имеют больше возможностей для обработки 3D заготовок, за счет большей рабочей зоны, особенно по высоте, за счет большего числа вариантов крепления и позиционирования заготовки. Широкий модельный ряд промышленных роботов Kuka и ABB позволяет подбирать оптимальные конфигурации установок гидроабразивной, лазерной, плазменной резки с точки зрения конкретных технологических требований заказчика и минимизации цены. Наличие широкого ряда отработанных моделей ycтpoйcтвo - позиционеров, скоординировано работающих совместно с роботами, позволяет существенно расширить области применения роботизированных комплексов резки, включая пространственную резку трубопроводов, объемных деталей в автомобилестроении, судостроении, авиационной и космической промышленности, при утилизации и расснаряжении боеприпасов, утилизации радиоактивных отходов и т.д., и т.п.

Первая ось робота, как правило, имеет диапазон движения от - 180 до + 180 градусов, что дает возможность организовать вокруг робота несколько рабочих зон, для работы с заготовками различных форм. Например, в случае с гидроабразивной резкой, одна из рабочих зон может использоваться для листообработки и ограничиваться рабочей поверхностью ванны уловителя струи, другая рабочая зона может быть организована с противоположной стороны от ванны и при установке соответствующего позиционера может быть предназначена для обработки заготовок в форме фигур вращения (трубы, оболочки).

Ведущие фирмы-производители роботов манипуляторов имеют более чем 70-летний опыт разработки, производства и эксплуатации своей продукции. В настоящее время сотни тысяч промышленных роботов работают в различных уголках земного шара в различных отраслях промышленности, выполняя самые разнообразные paботы. Массовость серийного выпуска роботов, при неизменно высокой культуры производства, обеспечили потрясающие показатели надежности. Время наработки на отказ современных роботов-манипуляторов составляет до 60 000 часов работы, что означает 7 лет непрерывной работы, а при реальных условиях эксплуатации, более 20 лет! Такие показатели существенно улучшают общую надежность систем с применением роботов, в том числе и установок гидроабразивной резки.

Скорость холостого хода промышленных роботов-манипуляторов составляет около 2 м/с, а иногда и до 5 м/с, что в несколько раз превышает скорость перемещения режущей головки на координатных столах, традиционно применяемых различных видах резания. В реальных приложениях это может дать увеличение производительности до 40%.

Повышенное качество обработки без уменьшения производительности, применительно к установкам гидроабразивной резки. Обычно, на традиционных установках гидроабразивной резки для компенсации конусности, применяют либо режимы резки с пониженной скоростью, либо специальные динамические головки для компенсации конусности реза, с возможностью поворота на углы до 10-12o. Цена данных головок достигает 50 000 евро, что соизмеримо со стоимостью целого робота. Естественная же для робота манипулятора возможность поворота режущей головки по 5-ой и 6-ой оси на углы от - 190 до + 190 и от -160 до +360 с легкостью позволяет компенсировать конусность путем поворота режущей головки на требуемый угол к плоскости реза без уменьшения его скорости. В сочетании с точностью позиционирования 0,03 - 0,1 мм, это обеспечивает высокое качество получаемых деталей при хорошей производительности.

При принятии решения о приобретении оборудования для листообработки для целей расширения или модернизации производства, необходимо в полной мере учитывать непрерывно возрастающие возможности робото-технологических комплексов, все чаще и чаще они становятся более эффективными по сравнению с традиционными решениями.

И конца этому процессу не видно. Роботы идут... Идут к новому технологическому укладу, привнося с собой в производство надежность, гибкость, точность и высокую производительность.

Роботизация является одним из важнейших факторов ускорения научно-технического прогресса и относится главным рычагам повышения эффективности различных производств. Велико многообразие промышленных роботов. Их конструкции определяются назначением и областью применения. Предлагаем изучить основы построения, состава и функционирования главного элемента промышленного робота - его исполнительного устройства.

В общем случае промышленный робот включает в себя устройство управления и исполнительное устройство. Исполнительным устройством называется часть робота выполняющая все его двигательные функции. Иногда исполнительное устройство называют манипулятором.

Манипулятор промышленного робота представляет собой сложный пространственный механизм как правило разомкнутого типа с несколькими степенями подвижности, каждая из которых снабжена соответствующим приводом.

В состав манипулятора входят исполнительные элементы, механические передачи, измерительные устройства объединяющиеся несущей конструкцией. Последним звеном манипулятора является рабочий орган. Все многообразие исполнительных устройств промышленных роботов можно классифицировать по ряду признаков.

По количеству степеней подвижности исполнительные устройства подразделяются на:

• 2-х степенные;
• 3-х степенные;
• многостепенные.

По количеству манипуляторов:

• с одним манипулятором;
• с двумя и более манипуляторами.

По возможности передвижения исполнительные устройства делятся на:

• стационарные - неподвижно установленные на рабочем месте;
• передвижные - имеющие межпозиционные степени подвижности.

Велико многообразие кинематических схем промышленных роботов. Каждая степень подвижности манипулятора с прямоугольной системой координат реализуется с помощью и кинематических пар 5 класса поступательного типа.

Манипулятор с цилиндрической системой координат реализуется с помощью кинематических пар 5 класса поступательного и вращательного типов.

Манипулятор со сферической системой координат реализуется также на кинематических парах 5 класса поступательного и вращательного типов.

Манипулятор с комбинированной системой координат обычно выполняется подобным руке человека и имеет 6-7 степени подвижности включая схват. Он способен выполнять сложные пространственные перемещения.

Основными элементами исполнительного устройства являются приводы, они предназначены для непосредственной реализации программного движения по сигналам формируемым в устройстве управления промышленным роботом. В общем случае привод исполнительного устройства включает в себя: усилитель мощности, исполнительный элемент, механическую передачу и измерительные элементы (датчики). Выходной вал механической передачи как правило соединен с нагрузкой, то есть с валом вращения или штоком перемещения одной из степеней подвижности исполнительного устройства.

Усилитель мощности в электромеханических роботах представляет собой электронную схему управления и компонуются либо в отдельном конструктиве, либо входит неотъемлемой частью в устройство управления. Остальные элементы привода конструктивно располагаются в исполнительном устройстве робота.

К приводам исполнительных устройств предъявляются следующие требования:

• обеспечения высокой точности позиционирования;
• быстродействие;
• обеспечение минимальных весогабаритных характеристик;
• обеспечение минимальных потерь в механизмах передач, т.е. высокий КПД.

Электродвигатели, как правило, используется в роботах небольшой грузоподъемности. Они легко компонуются в узлы робота, имеют высокие регулировочные характеристики, не требуют дополнительного источника питания, надежны в эксплуатации. На основе электродвигателей создано большое число модификаций электромеханических промышленных роботов.

В промышленных роботах с цикловым управлением в основном применяются пневматические исполнительные элементы. Их основные достоинства: простота конструкции, высокая точность в режиме управления по упорам, высокая скорость перемещения и низкая стоимость. Энергия сжатого воздуха перемещает шток пневмоцилиндра или ротор поворотного пневмодвигателя.

Гидравлические приводы нашли основное применения в промышленных роботах грузоподъемностью выше 20 кг. Исполнительными элементами приводов являются гидроцилиндры или гидроквадранты, приводимые в движение рабочей жидкостью.

В качестве механических передач в исполнительных устройствах промышленных роботов используются понижающие силовые редукторы выполненные на базе цилиндрических, планетарных, волновых и червячных передач. Как правило двигатель и силовой редуктор помещаются в едином модуле. Силовые редукторы применяются в основном в электромеханических роботах поскольку электродвигатель имеют высокую частоту вращения и малый крутящий момент.

Для передачи движения от выходного вала электродвигателя к соответствующим осям степеней подвижности применяются торсионные валы, передачи типа винт-гайка, цепные передачи.

В качестве датчиков перемещения применяются импульсные и потенциометрические датчики, вращающиеся трансформаторы и другие преобразователи. В качестве датчиков скоростей применяются как правило тахогенераторы постоянного и переменного тока.

В цикловых роботах исполнительное устройство снабжаются бесконтактными и контактными концевыми выключателями.

В роботах предназначенных для выполнения сложных операций с элементами адаптации и распознавания предметов, с которыми они должны манипулировать, исполнительное устройство снабжается датчиками приближения, тактильными и телевизионными датчиками.

Приводы исполнительных устройств в роботах помимо полезных сил и моментов развиваемых для перемещения груза должны, развивать силы и моменты для преодоления неуравновешенности конструкции. Эти моменты являются вредными для приводов исполнительного механизма. Для их компенсации применяют специальные методы. Простой способ уравновешивания - установка противовеса. Противовесы вводятся в конструкцию промышленного робота специально, как например в шарнирно-балансирных манипуляторах или образуется за счет соответствующей компоновки элементов и узлов робота. Недостатком такого способа является увеличение инерционных моментов приведенных к валу двигателя и, следовательно снижения быстродействия робота.

Наиболее эффективным методом уравновешивания является применение специальных уравновешивающих механизмов использующих энергию сжатой пружины. Это позволяет значительно снизить мощность приводов исполнительного механизма или при том же значение мощности повысить грузоподъемность робота.

Непосредственный контакт с объектом работы осуществляет рабочий орган исполнительного устройства. Рабочие органы разделяются на захватные устройства и рабочие инструменты. Захватные устройства предназначены для захвата и удержания в нужном положении предмета манипулирования. Механические захватные устройства (схваты) удерживают предмет за счет сил трения в губках. Конструкция захватных устройств зависит от технологического процесса и типа деталей.

Вакуумные захватные устройства осуществляют захват и удержание предмета за счет пониженного давления в вакуумных присосках. Присоски могут быть активными с откачкой воздуха из камеры присосок пневмонасосом и пассивными работающими за счет вытеснения воздуха из камеры при нажатии деформируемой присоски на деталь.

Магнитные захватные устройства могут быть выполнены в виде постоянных магнитов или электромагнитов. Достоинством их по сравнению с вакуумными захватными устройствами является большая сила притяжения, недостатком - возможность работы только с магнитными материалами.

Рабочими органами являются также рабочие инструменты осуществляющие различные технологические операции. Это могут быть сварочные головки для контактной и дуговой сварки, пульверизаторы для окрашивания и нанесения покрытий, а также другие рабочие инструменты предназначенные для выполнения различных технологических операций.

Робототехника является важным звеном на пути полной автоматизации производства, когда весь процесс от проектирования до изготовления и сборки будет проходить без участия человека.

Как и все другие орудия изобретенные и построенные человеком, промышленные роботы созданы лишь для того чтобы увеличить эффективность и производительность действий человека продолжая по образному выражению Энгельса «естественный организм с помощью искусственного органа».

Рассмотрим место которые роботы занимают в сегодняшнем машиностроительном производстве и о тех коренных преобразованиях в промышленности к которым приводит роботизация Постараемся в какой-то мере осмыслить накопленный опыт и проанализировать основные перспективы робототехники.

Почему слово «робот» появившееся более полувека назад в пьесе Карела Чапека оказалось столь жизнеспособно? Почему из сотен и тысяч терминов придуманных писателями-фантастами именно этот столь стремительно вошел международный лексикон? Скорее всего потому что знаменитый чешский писатель придумав свои человекоподобные машины отразил извечную мечту людей о механическом помощнике.

Из далекого прошлого к нам пришло множество самых разнообразных автоматов, которые в большой мере отразили и эволюцию техники (прим.: механическое пианино). И хотя эти искусные творения мастеров прошлого были в сущности лишь игрушками поражающими воображение, они явились прообразом остроумных и ценных технических решений в области автоматики.

Особенно важное свойство этих машин - способность воспроизводить заложенные при их создании жесткие программы. Эти программы записывались на металлическом диске или барабане. Такого же типа механические носители были использованы в конструкции первых автоматических манипуляторов появившихся 70 лет назад. За эти 70 лет роботы проделали больший путь чем за предыдущие три века. В этой удивительной машине использованы достижения электроники, механики, гидравлики и кибернетики. Сегодня робот уже не экзотическая новинка а неотъемлемая часть многих отрасли производства. Умение быстро и точно автоматически выполнять однообразную монотонную работу даже в условиях неприемлемых для человека и отсутствие при этом человеческих слабостей привело к стремительному распространению промышленных роботов.

Что же такое современные промышленные роботы? Это перепрограммируемые манипуляторы промышленного применения, способные автоматически выполнять комплекс действий предусмотренных заложенной в них программой. Вне зависимости от назначения любой, промышленный робот содержит систему управления и питания и исполнительные устройства. Конструкция и технические характеристики робота зависят от его назначения. В этом смысле большинство роботов может быть отнесено к двум категорий.

Промышленные роботы первого типа предназначены для непосредственного участия в технологическом процессе в качестве производящей или обрабатывающей машины. Такие роботы так и называется «технологическими». Их важнейшей отличительной особенностью является то, что они снабжены какими-либо специальными инструментами или приспособлениями. Это дает им возможность выполнять такие операции как сварка, пайка, окраска и сборка изделий. Высокое быстродействие способность манипулировать миниатюрными деталями позволяет использовать эти роботы, например, в точном приборостроении и электронике. То есть в тех отраслях где требуется сочетание темпа и качество сборки недостижимое для человека. Они производят также измерения и контроль. Роботы-контролеры осуществляют не выборочный, а 100-процентный контроль, который особенно сложен в массовом производстве.

В последнее время технологические роботы все чаще оснащаются дополнительными в органами чувств, например электронным зрением. Это наделяет их способностью к пространственной ориентации при сборке сложных узлов, например, при установке колес на будущее транспортное средство в сборочном цехе. Создание адаптивных роботов - перспективное направление развития робототехники.

Назначение промышленных роботов второго типа - обслуживание основного технологического оборудования. Их захваты предназначены для транспортировки, установки и снятия деталей. Такие роботы позволяют автоматизировать вспомогательные работы, их так и называют - вспомогательные роботы. Беря деталь из накопителя магазина или бункера робот точно ориентируют ее для установки в рабочую машину.

К настоящему времени наметились два пути в развития робототехники. Первый - создание роботов способных выполнять как основные, так и вспомогательные операции. Это достигается благодаря оснащению робота сменяемыми по программе, захватами в сочетании с заложенной в конструкцию возможностью движения по любым необходимым траекториям.

Модель «робот-рука» является универсальной, она обладает многими степенями подвижности и может работать в любой системе координат. Сегодня существуют десятки конструкции таких роботов. Задача выбрать из многих вариантов кинематических структур такие, которые в наибольшей мере отвечали бы требованиям предъявляемым к универсальным роботам. Он должен быть предназначен для любых целей и тем самым пригоден для массового тиражирования.

При сравнительно малых габаритах он должен быть способен манипулировать грузами различной формой и массы в пределах широкой зоны обслуживания. Комбинация различных вращательных движений модели «робот-рука» складывается в точное линейное перемещение выполняемое под любым углом.

Путь создания универсальных роботов весьма перспективен, но в производственных условиях достоинство этой универсальной машины не всегда могут быть использованы в полной мере. Как показывает практика в большинстве случаев робот необходим для выполнения лишь заранее определенного, достаточно ограниченного круга работ.

Эти причины обусловили второе направление робототехники - создание специализированных роботов. Они обычно предназначены для выполнения ряда родственных операций, например одни для сборки, другие для сварки. В ряде случаев целесообразно еще больше упрощения конструкции роботов за счет дальнейшего сужения их функций.

Промышленные роботы получившее название «специальных» или «целевых», как правило предназначена для выполнения одной строго определенной операции. Они нередко встраиваются непосредственно в оборудование. Однако тенденция к специализации создает трудности для промышленности - как обеспечить массовый выпуск роботов при всем их растущим многообразии? Один из возможных выходов формирование широкой гаммы разнообразных конструкций на базе модульного построения. Использование ограниченного числа унифицированных модулей дает возможность с одной стороны наладить их широкий промышленный выпуск, а с другой обеспечить необходимое многообразие собираемых из них конструкций.

Модульный принципы позволяет быстро реагировать на достижения научно-технического прогресса. Так блоки громоздки гидравлических приводов благодаря достижениям электротехники удалось легко заменить мощными и компактными электрическими.

Прогресс в области электроники и микропроцессорной техники дает возможность создания малогабаритных блоков управления на базе программируемых контроллеров. Применение таких устройств управления упрощает задание роботу последовательности движений, которое выполняется как непосредственно с пульта управления так и в режиме обучения.

Современное направление в развитии робототехнике, это когда основную и вспомогательную операции выполняют роботы, действий которых согласованы между собой. Если бы удалось создать такие комплексы для всех технологических звеньев то проблемам всеобъемлющей автоматизации была бы решена. Однако, если сравнительно просто работу удается обрабатывать деталь из пластмассы, то для обработки металлических деталей его возможностей недостаточно, так как требуется высокоточная жесткая стационарная конструкция. Этому в полной мере отвечает уже существующая рабочая машина - станок с ЧПУ.

Современный станок с ЧПУ эта комбинация автоматических устройств каждое из которых в чем-то аналогично роботу. Одно из них манипулирует заготовкой, другое - инструментом. Их согласованная работа позволяет автоматизировать цикл резание. Включение в станок манипуляторов для смены деталей, инструментов, патронов резко сокращает время обработки деталей и расширяет технологические возможности станка. Использование экранов в системе управления упрощает контроль процесса обработки. Таким образом цикл обработки оказывается полностью автоматизированным.

Однако необходимость переналадки станков при переходе с детали на деталь, транспортировки от станка к станку, загрузки и разгрузки деталей требует участие человека. Как освободить его от этих рутинных операций? Добиться этого можно приставив к станку робот.

Остается добавить к этому комплексу накопитель деталей, снабдить его устройствами диагностики, измерения и контроля и мы получим полностью автоматизированная модуль способный к программированной переналадке. Такой гибкой производственной модуль - основная ячейка современного автоматизированного производства. Он может создаваться на базе самых разнообразных одноцелевых станков: сверлильных, фрезерных, токарных. В тех случай когда модуль полностью обрабатывает деталь - он весьма эффективен. Если же деталь сложная и требует обработки на нескольких станках, то целесообразно объединить эти станки с помощью робота в производственную ячейку. Варьируя расположение станков в ячейке удается повысить непрерывность обработки, при этом компоновка ячейки предопределяется конструкцией робота. Естественно что работа станков должна быть согласована во времени с движением робота. Это обеспечивает высокую загрузку станков и предохраняет систему от поломок. Такую синхронизацию осуществляет общая система управления.

Подобную ячейку можно получить и другим путем, с помощью всего лишь одного многоцелевого станка. В этом случае понятие ячейка и модуль как бы смыкаются, но в отличие от ячейки из одноцелевых станков, модуль на базе многоцелевого станка в большей мере сочетает в себе такие качества как гибкость и производительность. Очевидно что использование такого модуля позволяет высвободить целую бригаду рабочих.

Но существенно больший эффект достигается при объединении подобных модулей так называемые гибкие производственные системы (ГПС). Они позволяют организовать непрерывный выпуск разнообразных деталей в едином потоке, подобно тому как это делается в массовом производстве. Благодаря этому эффективность и мобильность таких систем в десятки раз превосходит эффективность отдельно работающих станков. Количество высвобожденных рабочих исчисляется уже десятками, а то и сотнями.

Появление ГПС позволило перейти к коренной перестройке стратегически важных отраслей производства. В этих условиях главным направлением развития современной робототехники становится создание роботов выполняющих в первую очередь такие традиционно вспомогательные операции, как транспортировка и загрузка деталей и инструментов. Они позволяют связать отдельные модули в единую согласованно и целенаправленно действующую систему машин.

Из всего многообразие функций выполняемых роботом, важнейшими становятся такие, которые позволяют ему выполнять роль связующего звена. Именно этим объясняется появление в мире огромного числа транспортных роботов разного типа. Так от семейства вспомогательных роботов отпочковалась самостоятельная ветвь.

Создатели стремились наделить транспортные роботы маневренностью, возможностью автоматического изменения маршрута движения, достаточной грузоподъемностью и безопасностью. Использование этих роботов вытеснило традиционные громоздкие и дорогостоящие транспортные конструкции.

Разумеется роботы не главные составляющие ГПС, здесь всё одинаково важно. Но при этом каждый элемент системы должен быть хорош не сам по себе, в первую очередь он должен отвечать требованиям системной целостности. Это означает что в каждом таком элементе, будь то станок, робот или накопитель важны не все их возможности, а только те из них, которые в полной мере могут быть использованы при решении главной задачи стоящей перед системой.

Как добиться системной целостности? Как сделать все этапы создания внедрения ГПС эффективными с самого начала? Какие проблемы должны быть решены в первую очередь? Об этом стоит поговорить особо!

Создание ГПС непростое объединение ее элементов. Гибкое автоматизированное производство не менее сложная система чем например современный океанский лайнер, самолет или космический корабль. Массовое создание таких систем требует прежде всего отработки типовых технических решений для их широкого тиражирования. Ведь сегодня существует столько технических решений сколько создано систем. Какие же из них следует принимать в качестве типовых? Это отнюдь не какая-либо конкретная комбинация станков, роботов, накопителей созданная на том или ином предприятии. Типовое решение это прежде всего структурная схема определяющая формы возможных взаимодействий в системе.

Опыт создания гибких производственных систем показывает что огромное многообразие их решений во многих случаях целесообразно свести к трем типовым схемам на базе однотипных многоцелевых станков:

• первая структура - представляет собой параллельно работающие станки, каждый из которых полностью обрабатывает деталь. Деталь проходит через систему по схеме «склад-станок-склад»;
• вторая структура - осуществляет двухэтапную обработку деталей сначала черновую, а затем чистовую;
• третья структура - позволяет проводить обработку деталей на нескольких станках в свободной последовательности.

В зависимости от специфики производства можно выбрать структуру которая позволит наилучшим образом обеспечить взаимодействие рабочих машин во времени и пространстве.

Разработка ГПС с использованием типовых схем требует взаимосвязанного выбора структур технологии, оборудования и управления. Сегодня именно в такой последовательности и проводятся основные этапы проектирования. Но ведь главная цель создание ГПС это интенсификация производства за счет радикального изменения традиционных форм организации и здесь полезно вспомнить мудрое изречение древних «чтобы знать с чего следует начинать какую-либо работу, надо хорошо понимать чем она должна быть кончена». Для решения наших задач это означает что разработка структур технологии, оборудования и управления должна быть подчинена целям организации. Сделать это можно только изменив традиционную последовательность этапов проектирования. Только в этом случае удастся создать системы внедрение которых даст производству ощутимые результаты, обеспечат ускоренный и ритмичный выпуск продукции.

Процесс проектирования гибких производственных систем это не только разработка конструкции рабочих и вспомогательных машин и их стыковка. Машины лишь видимая хотя и достаточно важная часть системы, не менее важной её частью является математическое обеспечение реализуемое с помощью программирования. Создание такого обеспечения требует проведение широкомасштабных экспериментов на математических моделях. Сравнивая и оценивая различные технические решения проектировщик может уже на ранних этапах разработки системы выбрать оптимальный вариант.

Гибкие производственные системы выполняют свою задачу только тогда, когда поток заготовок автоматически непрерывно превращается в готовые детали. Управлять процессом нам помогают те же математические модели. Создавая на такой основе системы гибкой автоматизации для всех звеньев производства, автоматизируя все его этапы от проектирования до сборки, удастся резко поднять эффективность нашей экономики. Но чтобы этого добиться необходимо понимать механизм формирования экономического эффекта. Создание ГПС позволяет получить экономический эффект за счет сокращения числа станков, уменьшение численности работающих. Но это лишь одна составляющая активности гибкой автоматизации. Если система согласовано с остальным неавтоматизированным производством, появляется возможность увеличить выпуск готовых изделий. Это вторая составляющая эффективности которая может превосходить первую, а это в свою очередь означает что страна получает дополнительно машины, станки, приборы. Их использование дает третью составляющую эффекта.

В последние годы одним из важных направлений научно-технического прогресса становится применение промышленных роботов. Их использование позволяет осуществлять комплексную механизацию и автоматизацию производства, повышать эффективность использования трудовых ресурсов, а также сокращать применение ручного, тяжелого и неквалифицированного труда во всех отраслях народного хозяйства.

Промышленные роботы - это манипуляторы с программным управлением, предназначенные для воспроизведения некоторых функций человека при выполнении вспомогательных и основных производственных операций. Созданы опытные образцы в основном универсальных роботов с позиционной и цикловой системами программного управления. В числе первых образцов были роботы УМ-1, «Универсал-50% и УПК-1. Это - роботы первого поколения.

• Грузоподъемность с работающей кистью 10 кг;
• Линейные перемещения руки 700 мм;
• Угол поворота руки 180 град;
• Скорость линейных перемещений 600 мм/с;
• Скорость поворота руки 180 град/с.
• Точность позиционирования ±5 мм

Промышленный робот РП-10 с гидравлическим приводом (рис. 1) предназначен для выполнения различных технологических операций.

Рис. 1. Промышленный робот РП-10: 1 - корпус; 2 - колонна; 3 - захват; 4 - рука

Роботы могут быть широко использованы на работах, связанных с механической обработкой деталей. Так, робот УМ-1 использовался для обслуживания двух станков с программным управлением АТ-250П при окончательной механической обработке втулки колеса. Применение робота улучшает условия труда, снижает производственный травматизм и др.

Область использования промышленных роботов непрерывно расширяется, их функции усложняются, и поэтому конструктивные схемы манипуляторов роботов отличаются большим разнообразием. В них используются различные системы координат перемещения руки и разное число степеней свободы рабочего органа.

На рис. 2 показана схема манипулятора с четырьмя степенями свободы, у которого рука 3 с кистью 2 имеет три степени свободы, перемещаясь в подвижной системе прямоугольных координат, связанной с поворотным столом 4. Четвертая степень свободы реализуется при повороте стола вокруг вертикальной оси. Пятым, независимым движением является движение охвата. При осуществлении любых перемещений при остановленном поворотном столе 4 деталь, удерживаемая охватом 1, не меняет своей ориентации в пространстве. Ориентация детали в горизонтальной плоскости меняется при повороте стола.

Рис. 2. Схема робота-манипулятора с четырьмя степенями свободы

На рис. 3 приведена схема рычажного манипулятора. Рука состоит из соединенных шарнирно рычагов 1 и 2. Последний несет кисть 3 с механизмом захвата 4. Рычаг 1 укреплен на кронштейне 5 вертикального вала, вместе с которым рука поднимается и поворачивается вокруг вертикальной оси. При одинаковой длине рычагов 1 и 2 и таком передаточном механизме, который обеспечивает постоянно вертикальное положение биссектрисы угла между рычагами, кисть при раскрытии или складывании рычагов 1 и 2 перемещается прямолинейно в горизонтальном направлении.

Рис. 3. Рычажный робот-манипулятор