Промислові роботи

1.1 Сучасний стан робототехніки

Машинобудування - провідна галузь сучасної техніки і народного господарства України в цілому. Як би не називали наш технічний вік - віком космосу, електроніки та віком атому - основою технічного прогресу були і залишаються машини.

Сучасні машини відіграють важливу роль у створенні матеріально-технічної бази, підвищенні економічного і культурного рівня народу України.

Щоб вийти з економічної кризи необхідно підвищувати ефективність виробництва, тобто треба якнайширше впроваджувати в промисловість машини автоматичної дії (промислові роботи (ПР) та маніпулятори)

В середині ХХ ст. виник і сформувався новий науково-технічний напрям - робототехніка. Предметом робототехніки є дослідження і конструювання роботів та створення на їх основі автоматизованих виробництв.

Розподіл парку ПР по видам виробництв:

25% - ковальсько-пресове і ливарне;

20% - обслуговування матеріало-різальних верстатів;

11% - зварювальні операції;

10% - транспортні і складські операції;

14% - фарбувальні види робіт;

8% - обслуговування термічного обладнання;

12% - інші види робіт.

1.2 Можливості робототехніки

В науково-фантастичній літературі роботів описують у вигляді людей ("Термінатор"). В теперішній час поширюється застосування роботів у сфері обслуговування, а також у виробництві (промисловості).

Промислові роботи на виробництві виконують підйомно-транспортні операції; обслуговують верстати і магазини; зварювальні і малярні операції.

Людству представляється в майбутньому продовжити освоєння надр Землі і шельфових зон морів і океанів, вивчення морських глибин, яке неможливе без широкого застосування підводних роботів, які можуть працювати на кілометрових глибинах.

Підземні роботи можуть виконувати роботи в шахтах. На долю гірників з часом залишаться тільки операції по керуванню та обслуговуванню самих роботів.

Використання роботів в атомній енергетиці , де як відомо небезпечна для здоров`я людини обстановка в радіоактивній зоні. Відомі випадки застосування роботів при гасінні пожеж; на космічних станціях, в металургії та інших сферах.

Можливості роботів значно ширші ніж приклади, що були приведені. Можна зробити висновок про те, що в майбутньому практично не буде таких галузей народного господарства, де не використовувалися би роботи.

Але не треба робити поспішних висновків про те, що роботи вже заповнили весь світ, що всі проблеми вже розв`язані, а людина і не потрібна на виробництві. Ні, сьогодні руки і розум людини потрібні всюди, і перш за все для того, щоб будувати самі роботи, і експлуатувати їх.

Що ж це таке робот ? У загальному розумінні роботи - це такий клас технічних систем, який у своїх діях відтворює подібність рушійних і інтелектуальних функцій людини.

У сферах матеріального виробництва найбільшого поширення одержали промислові роботи (ПР). ПР набули найбільш ефективне застосування в умовах частої зміни об`єктів виробництва, а також для автоматизації ручної малокваліфікованої праці.

Впровадження ПР у виробництво дає можливості розв`язувати такі завдання:

1. Здійснювати автоматизацію виробництв з малосерійним та індивідуальним випуском виробів.

2. Автоматизація основних і допоміжних операцій технічного устаткування.

3. Підвищити культуру і якість виробництва.

4. Підвищити якість продукції.

1.3 Основні поняття і визначення

Необхідність автоматизації виробничих процесів у промисловості, які неможливо виконати з допомогою типових машин привело до створення механізмів і машин, які моделюють властивості рухомих кінцівок (рук і ніг) людини і відтворюють їх рушійні функції - це маніпулятори.

Маніпулятор (від лат. manus-рука) - це механізм, який автоматично відтворює функції руки (ноги) людини при виконанні виробничих операцій шляхом переміщення об`єкта в просторі.

Промисловий робот - автоматична машина з програмним керуванням, яка відтворює рушійні і розумові функції людини при виконанні виробничих процесів.

ПР - клас машин для обслуговування технологічних процесів та автоматизації транспортних робіт.

Вони використовуються також в гнучких автоматизованих виробництвах, атомній енергетиці, освоєнні світового океану, космосу та планет.

Відбувається поступове впровадження роботів у всіх галузях виробництва, що пояснюється економічною ефективністю їх використання , підвищенням продуктивності праці , зменшенням строків пуску підприємств, підвищенням якості продукції, забезпеченням великої гнучкості технічних та організаційних завдань виробництва, а також вивільненням робітників із небезпечних і шкідливих виробництв.

ПР використовують на конвейєрних лініях і на складських роботах.

2.Структура і класифікація промислових роботів (ПР). Основні технічні показники ПР

2.1 Структура промислових роботів

1. Механічна система (Маніпулятор);

2. Система програмного керування (ЕОМ);

3. Інформаційна система.

По степені досконалості і типам систем керування ПР поділяються на три покоління:

1. Перше покоління - програмні роботи (промислові), які працюють за жорсткими програмами. Вони широко застосовуються в машинобудуванні.

2. Друге покоління - адаптивні роботи, які працюють за гнучкими програмами і змінюють характер робіт в залежності від зміни параметрів зовнішнього середовища.

2.2 Класифікація промислових роботів

Конструктивно ПР складається з таких вузлів: основа (рама), привід (двигун), передаточні механізми, виконавчий механізм і захватні пристрої.

Механічна система

Класифікація промислових роботів

(ГОСТ 25685-83)

2.3 Основні технічні показники ПР

До технічних показників ПР відносяться: номінальна вантажопідйомність, робочий простір, зона обслуговування, число ступеней рухомості, швидкість переміщення, похибка позиціювання робочого органу і похибка траєкторії робочого органу.

Під вантажопідйомністю розуміється найбільше значення маси виробів виробництва, при якій гарантується надійна робота ПР.

Простір, в якому може знаходитися виконавчий (робочий) механізм робота при його функціонуванні називається робочим простором.

Зоною обслуговування (робоча зона) називається частина робочого простору, в якій може виконувати роботу ПР.

Число ступеней рухомості робота залежить від його конструкції ходового пристрою (від 1 до 3).

Форми робочих зон

плоска просторова циліндрична сферична

рис. 2.1

Похибка позиціювання робочого органа ПР - відхилення реального положення робочого органу від заданого програмою.

Похибки

рис. 2.2

Відхилення траєкторії робочого органа від заданої програмою називається похибкою траєкторії.

рис. 2.3

3.Типи маніпуляторів

3.1 Структурні і кінематичні схеми маніпуляторів

Механічна система ПР умовно може бути розділена на чотири структурних елементи: 1-основа (нерухома ланка); 2-корпус (портал); 3-механічна рука;

4-захватний пристрій.

Механічна система ПР Кінематична схема маніпулятора

рис.3.1 рис.3.2

Механічна рука і захватний пристрій складають маніпулятор.

Переважне застосування в маніпуляторах одержали кінематичні ланцюги з поступальними і обертовими парами ; сферичні шарніри складні у виконанні і утрудняють (заважають) передачу рухів від приводів, тому застосовуються рідко.

Схеми маніпуляторів

рис.3.3

На рис.3.3 показані схеми маніпуляторів для одержання рухів в базовій площині

З допомогою маніпуляторів розв'язують ряд задач в різних областях науки і техніки (робота в небезпечних і шкідливих для людини зонах; трудоємкі і монотонні роботи: зварка, фарбування, зборка та інші).

3.2 Класифікація маніпуляторів

Класифікуються маніпулятори за такими признаками:

По характеру виконуючих робіт:

а)універсальні;

б)спеціальні.

2. По способу керування:

а)з ручним (копіруючі);

б)з автоматичним управлінням (по програмі ЕОМ).

Універсальні М. застосовуються для виконання підйомно-транспортних робіт в машинобудуванні, а також для механізації операцій по обслуговуванні технологічного обладнання (установки і знімання деталей на металорізальних верстатах, зварочні і свердлильні операції).

Спеціальні М. застосовуються:

- в ковальсько-пресових цехах;

- в ливарному виробництві.

3.3 Технічні показники маніпуляторів

Працездатність маніпуляторів характеризується рядом технічних показників: робочий об'єм, маневреність М., кут і коефіцієнт сервісу, число ступеней свободи, вантажопідйомність, швидкість руху, енергетичні показники .

Незамкнутий кінематичний ланцюг маніпулятора дозволяє захвату займати різні положення в деякому об'ємі, який називається робочим .

Тобто об'єм обмежений поверхнею, яку огинає всі можливі положення захват. Частина робочого об'єму, в якому М. може виконувати операції з об'єктом маніпулювання, називається робочою зоною.

1.Маніпулятор з 2-ма сферичними кінематичними парами і однією обертовою.

рис. 3.4

2. Маніпулятор з 2-ма поступальними і 1- обертовою

рис. 3.5

Маневреність маніпулятора - це рухомість механізму при нерухомому (фіксованому) положенні захвата. Цей показник характеризує можливість обходу рукою М. перешкод в робочому об'ємі і виконання складних операцій.

Ступінь рухомості маніпулятора визначається по формулі Сомова-Малишева

W=6n-5p-4p-3p-2p-p

рис. 3.6

Маневреність маніпулятора рівне одиниці, означає можливість спільного обертання ланок 1і 2 навколо вісі АС, яка проходить через центри сфер (рис.3.6)

При роботі маніпулятора захват повинен мати різні можливості переміщення відносно об'єкта, але конструктивні обмеження (форма, розміри) не дозволяють прововодити захват в кожній точці робочого простору під довільними кутами.

Тілесний кут ψ - всередині якого захват може підійти до кожної точки робочої зони , називають просторовим кутом обслуговування , або кутом сервісу .

Відношення кута ψ до його найбільшого значення називають коефіцієнтом сервіса в даній точці : θ=ψ/(4π) , 0≤θ≤1 .

рис. 3.7

Структурні схеми маніпуляторів і їх робочі зони в системі координат

рис. 3.8

3.4 Автооператори

АО - це маніпулятор , який застосовується в машинах-автоматах , які працюють по жорсткій програмі і оперують штучними об'єктами по загальному циклу машини.

Програмоносіями для АО служать кулачки, перфострічки, магнітні стрічки.

Області застосування АО :

Автооператор заливщик для машин литва під тиском .

Автооператор для змазки прес-форм машин литва під тиском .

Автооператор для обслуговування листоштамповочних пресів .

Автооператор для установки і знімання деталей при обслуговуванні металорізальних верстатів .

4. Конструкції промислових роботів.

4.1 Конструктивна схема ПР

рис. 4.1.

М… М- електродвигуни ;М- пневмопривід ;

Механізми :Черв'ячна передача – Ч; Передача гвинт-гайка – Г; Зубчасті механізми – З; Основа механічної системи – О;Корпус – К; Маніпулятор – М; Система керування – У.

4.2 Технічні характеристики ПР

1. Модель . 7. Спосіб програмування .

2. Вантажопідйомність . 8. Помилка позиціювання .

3. Число степеней рухомості . 9. Лінійні і кутові переміщення .

4. Число рук (захватних пристроїв). 10. Швидкість переміщення .

5. Привід . 11. Габаритні розміри .

6. Тип системи керування . 12. Маса.

4.3 Системи координат

прямокутна плоска прямокутна просторова

(Декартова) (Декартова)

циліндрична сферична

4.4 Приклади структурних кінематичних схем ПР

Прямокутна плоска система координат:

2. Прямокутна просторова (Декартова):

Полярна циліндрична :

Полярна сферична :

4.5 Типи ПР

Характерні представники конструктивних груп :

Напольні ПР.

Підвісні ПР тельферного типу .

ПР мостового типу .

Спеціальні ПР: а) крокуючі; б) підводні; в) космічні.

ПР агрегатно-модульного типу .

Проектування нових моделей на базі уніфікованих агрегатних вузлів і блоків (модулів) забезпечує створення широкого діапазону конструкцій ПР з технічними параметрами, які відповідають вимогам конкретного споживача (виробника). Переваги методу А-М побудови: скорочення часу і трудомісткості проектування і можливість виготовлення ПР. При побудові конструкцій ПР застосовуються принципи уніфікації і нормалізації як при розробці механічної системи так і системи управління . Класифікуються агрегатно-модульні конструкції ПР по таким признакам: компоновці, по можливості зміни технічних характеристик ПР, по застосуванню систем керування.

рис. 4.2

Компоновка (а) та кінематична схема (б) промислового робота “Asca 1 Rb-6”:

1-основа; 2,4,17,20-електродвигуни з друкованим якорем та вбудованим редуктором; 3-хвильова передача; 6,18-кулькові гвинтові пари; 5-поворотний корпус; 7-тяга; 8-зрівноважуючий вантаж; 9,10,12-ланки руки; 11-14-тяги; 13,15,19-кривошипи; 16-конічна передача.

рис.4.3

5. Захватні пристрої

5.1 Класифікація захватних пристроїв

Захватні пристрої (ЗП) маніпуляторів служать для захвату і утримання в певному (конкретному) положенні об'єктів маніпулювання. Ці об'єкти можуть мати різні розміри, форму, масу і характеризуватися різними фізичними властивостями.

Прикладами ЗП являються: монтажні інструменти (тиски, ключі і ін.)

До ЗП ставляться певні вимоги: загального характеру і спеціальні, зв'язані з конкретними умовами праці.

До числа обов'язкових вимог відносяться : надійність захвату і утримання об'єкту, стабільність базування, недопустимість пошкоджень або руйнування об'єктів, міцність деталей ЗП.

Спеціальні вимоги : можливість захвату і базування деталей в широкому діапазоні (маси, розмірів і форми), легкість і бистрота заміни елементів ЗП, необхідність автоматичної зміни зусиль утримання об'єкта в залежності від його маси.

В теперішній час ведуться розробки конструкцій ЗП, які можуть захвачувати і базувати неорієнтовано розміщені об'єкти.

Класифікація ЗП ведеться по ряду признаків:

По способу захвату і утримання об'єкта маніпулювання - механічні, пневматичні (вакуумні), електромагнітні і комбіновані.

По виду управління (керування) - некеровані, командні, жостко-програмні, адаптивні (чуттєві).

По характеру базування: спроможні (здатні) до перебазування - можуть захвачувати і утримувати об'єкти з широким діапазоном геометричних і фізичних параметрів; центруючі - пристосовані до захвату і утримання об'єктів за обмежену номенклатуру поверхонь, які відрізняються формою і розмірами; базуючі - спеціалізовані, приспособлені до захвату і утримання групи об'єктів, які мають однорідні конструктивно-технологічні параметри; фіксуючі - спеціальні - забезпечують захват і утримання одного виду об'єктів маніпулювання.

По числу робочих позицій: однопозиційні, багатопозиційні.

По характеру кріплення: незмінні, змінні, швидкозмінні, автоматизовані.

По робочому діапазону - широкодіапазонні - можуть удержувати об'єкти в широкому діапазоні розмірів поверхонь захвату ; вузькодіапазонні - можуть удержувати об'єкти в обмеженому діапазоні розмірів поверхонь захвату.

5.2 Будова захватних пристроїв і принцип дії. Механічні ЗП некеровані

Виконуються у вигляді пінцетів, розрізних пружніх валиків і втулок (цанг) або тисків з одною або двома рухомими губками, які знаходяться під дією пружин.

пружній валик цанга тиски

рис.5.1

Розжим робочих елементів таких ЗП проходить при контакті з заготовкою, внаслідок чого можуть бути пошкоджені поверхні деталей або зажимних елементів (недолік). Ці ЗП застосовують в умовах масового виробництва при маніпулюванні з об'єктами невеликих мас і габаритів.

Непривідні ЗП із стопорними механізмами забезпечують чергування циклів зажиму і розжиму деталей, не потребують спеціальних команд від системи керування і додаткової енергії. Деталі утримуються силою пружин внаслідок ефекту самозатягування. Як правило, робота таких ЗП можлива тільки при їх вертикальному положенні.

Командні ЗП. Широко розповсюджені конструкції тискового типу (обценьки). Рух губок забезпечується пневмо-, гідро-, або електроприводом.

ЗП з важільними передаточним механізмом і пневмо-гідро приводом.

рис.5.2

Центруючі ЗП з рейковим передаточним механізмом.

рис.5.3

ЗП з розширяючими еластичними камерами.

рис.5.4

Застосування таких пристроїв обумовлено кригкістю матерії і складною конфігурацією поверхонь багатьох деталей.

Вакуумні, з згинаючими еластичними камерами і електромагнітні ЗП.

пневмоприсоска елементи кріплення вакуумного з кульовою опороюзахватного пристрою

Захватний пристрій із згинаючими еластичними камерами для захвату виробів за зовнішню поверхню: за внутрішню поверхню:

1-еластичні камери; 2-базуючаІ, ІІ-форми, які приймає камера в призма; 3-патрубки; 4-корпус; залежності від тиску стиснутого 5-різьбовий держакповітря

рис.5.7

Адаптивні захватні пристрої:

а-трьохпалі з активним тросовим механізмом привода ланок; б-адаптивний; в-з тактильним щупом;

5.3 Розрахунок захватних пристроїв

5.3.1 Задачі розрахунку

Механічні ЗП. Розрахунок включає:

Визначення сил, які діють в місцях контакту заготовки і губок елемента ЗП.

Визначення сил привода.

Перевірка відсутності пошкоджень поверхні деталі при захваті.

Розрахунок на міцність деталей ЗП.

По першому випадку розрізняють такі схеми утримання об'єктів в механічних ЗП :

Деталь підтримується губкою елемента ЗП, сили тертя мало впливають на механізм утримання деталі.

рис.. 5.8

N=R[sinφ-μcosφ]/[sin(φ+ φ)-2μcos(φ+φ)],

де i, j = 1,2, i ≠ j ;

μ - коефіцієнт тертя губки захвату з деталлю,

негартована сталь μ = 0.12 … 0.15 - Сталь 45, 50;

гартованна сталь μ = 0.3 … 0.35 - сталі 65Г У10А

Деталь утримується завдяки запираючій силі губок.

φ= 90˚,

φ= φ.

RN

N=R(sinφ-μcosφ)/(cosφ+2 μsinφ),

N=R/(cosφ+2μsinφ).

Деталь утримується силами тертя.

N= N= R/2μ.

На практиці часто зустрічаються складне навантаження ЗП, при якому має місце комбінація описаних випадків.

5.3.2 Розрахунок зусиль привода

Розглянемо на прикладах клинових, важільних і рейкових передаточних механізмів.

Клиновий механізм.

Для симетричних губок : F≥ 2Mtg(β+ρ) / bη,

η- к.к.д. η=0.9 ;

β= 4…8°, ρ= 1°…3° ;

ρ- кут тертя ;

β- кут конуса.

рис.5.11

Загальний випадок:

F≥ Mtg(β+ρ) / bη.

Важільний механізм.

Для симетричних губок :

рис.5.12

F≥ 2Mjcosα / bη.

Загальний випадок :

F≥2Mjcosα / bη,

M- момент захвату.

M=Ncosφ[atgφ±C-(a- Ctgφ)],

φ- кут контакту.

Рейковий механізм.

Загальний випадок:

F≥2Mj /(mzη)

Для симетричних губок :F≥ 4Mj/(mzη)

рис. 5.13

де m, z- модуль і число зубців,

η- к.к.д. η=0.94.

Вакуумні і електромагнітні ЗП.

F=kA(p-p),

де k=0.85-коефіцієнт, який враховує можливість зміни атмосферного тиску і властивість ущільнення ;

A- ефективна площа дії ЗП; p- атмосферний тиск; p- залишковий тиск в камері присосів ; F- сила ЗП.

Рекомендації p- p= 0.03…0.035МПа.

A