книги / Технология производства сварных конструкций. Ч. 1
.pdfриваемых изделий. Эти линии применяют при массовом выпуске малога баритных изделий, изготовляемых на полуавтоматах или автоматах, вы полняющих одинаковый объем операций.
12.4.Использование гибких производственных систем
впроизводстве сварных конструкций
Характерной особенностью современного машиностроительного производства является стремление к созданию гибких производственных комплексов на основе безлюдной технологии, то есть без участия или с ми нимальным участием человека. При этом комплексы должны успешно функционировать в условиях многономенклатурного серийного производ ства и обладать гибкостью, т.е. возможностью быстро перестраиваться на изготовление новых деталей в пределах технических возможностей обору дования комплекса.
Гибкая производственная система (ГПС) (ГОСТ 26228-85) - это сово купность оборудования с ЧПУ в разных сочетаниях, роботизированных технологических комплексов (РТК), гибких производственных модулей (ГПМ), отдельных единиц технологического оборудования и систем обес печения их функционирования в автоматическом режиме в течение задан ного интервала времени.
Составными частями ГПС являются роботизированный технологиче ский комплекс (РТК) и гибкий производственный модуль (ГПМ).
ГПМ - это единица технологического оборудования для производ ства изделий произвольной номенклатуры в установленных пределах зна чений их характеристик с программным управлением, автономно функцио нирующая, автоматически осуществляющая все функции, связанные с их изготовлением, имеющая возможность встраиваться в ГПС.
Роботизированный технологический комплекс (РТК) - это совокуп ность единицы технологического оборудования, промышленного робота и средств оснащения, автономно функционирующая и осуществляющая мно гократные циклы.
По организационным признакам различают следующие виды ГПС: гибкая автоматизированная линия (ТАЛ), гибкий автоматизированный участок (ГАУ), гибкий автоматизированный цех (ГАЦ).
ГАЛ - это ГПС, в которой технологическое оборудование располо жено в принятой последовательности технологических операций.
ГАУ представляет собой ГПС, функционирующую по технологи ческому маршруту, в котором предусмотрена возможность изменения по следовательности использования технологического оборудования.
Технологическая линия с применением робота представляет собой со вокупность РТК, связанных между собой транспортными средствами и си стемой управления, или нескольких единиц технологического оборудова ния, обслуживаемых одним или несколькими промышленными роботами для выполнения операций в принятой технологической последовательности. Если же в этой совокупности возможно изменение последовательности ис пользования технологического оборудования, то она будет представлять собой роботизированный технологический участок.
ГАЦ - это ГПС, представляющая собой в различных вариантах со вокупность ГАЛ, роботизированных технологических линий, ГАУ, робо тизированных технологических участков для изготовления изделий задан ной номенклатуры.
Система обеспечения функционирования ГПС - это совокупность в общем случае взаимосвязанных автоматизированных систем, обеспечи вающих проектирование изделий, технологическую подготовку производ ства, управление гибкой производственной системой с помощью ЭВМ и автоматическое перемещение предметов производства и технологической оснастки.
В общем случае в систему обеспечения ГПС входят: автоматизирован ная транспортно-складская система (АТСС); автоматизированная система инструментального обеспечения (АСИО); система автоматизированного контроля (САК); автоматизированная система удаления отходов (АСУО); автоматизированная система управления технологическими процессами (АСУТП); автоматизированная система научных исследований (АСНИ); система автоматизированного проектирования (САПР); автоматизиро ванная система технологической подготовки производства (АСТПП); ав томатизированная система управления (АСУ) и тщ.
Главной особенностью ГПС является ее высокая гибкость, которая позволяет.
- осуществлять обработку изделий различных конфигураций устано вленной группы, при различных размерах операционных партий, че редующихся в любом порядке (после партии в 50 шт. может обрабатываться партия 1-2 шт., затем 200 и т.д.);
- нарушать прямолинейность перемещения обрабатываемых изделий внутри технологического комплекса и возвращать их для последующей об работки на станки, на которых выполняли первоначальные операции, это
сокращает общее число потребных станков;
- прекратить (в любой момент) изготовление основной продукции и в короткий срок с минимальными затратами приступить к выпуску новой продукции (в условиях серийного многономенклатурного производства).
Основная цель создания ГПС состоит в том, чтобы обеспечить авто матические непрерывные принципы поточного производства при серий ном выпуске продукции всегда готовой быстро и безубыточно прекратить изготовление одной продукции, в короткий срок приступить к выпуску но вых изделий. Это важнейшая особенность производства, называется гиб костью, означает легкую приспосабливаемое!!» производства к удовлетво рению потребностей выпускать требуемую номенклатуру продукции путем смены управляющих программ, с сохранением оборудования и оснащения.
Примером эксплуатируемых в сварочном производстве ГПС являют ся ‘Талка-ЗОО", 'Талка 500-800". Эти ГПС предназначены для изготовления любых корпусных сварных изделий из любых конструкционных материа лов (рис. 59).
Рис. 59. Схема ГПС типа 'Талка 500-800": 1 - участок сборки установочных приспособ
лении; 2 - участок комплектации я настройки инструментов; 3 - |
элеваторный склад |
инструментов; 4 - автоматический екпвд-штабепер; 5 - станция |
загрузки; б - управ |
ляющая ЭВМ; 7, 8,10 - технологическое оборудование; 9 - система удаления отходов; 11 - транспортная система ТС-500
Следует отметить, что ГПС относительно дороги. Однако, если при экономическом сравнении производств учитывать, кроме экономии прямых затрат, экономию компонентов косвенных затрат, можно сделать вывод, что применение ГПС выгодно и эффективно.
Полную ежегодную экономию косвенных затрат подсчитывают как сумму отдельных составляющих, входящих в эти затраты; эти составляющие представляют собой сокращение следующих расходов: по обслуживанию и содержанию оборудования; на содержание и эксплуатацию изнашиваемого инструмента; по подготовке управляющих программ на контрольные опе рации; за счет сокращения брака; за счет сокращения незавершенного про изводства и заделов; за счет сокращения межоперационной транспорти ровки.
13. УСТРОЙСТВО И ПРИМЕНЕНИЕ ПРОМЫШЛЕННЫХ РОБОТОВ ДЛЯ СВАРКИ
Автоматизация и механизация технологических процессов потребова ла появления принципиально новых средств производства роботов.
Как это ни парадоксально, автоматизация промышленного производ ства до последнего времени охватывала наиболее сложные аспекты техно логии, связанные с непосредственным выполнением технологических опе раций. Простые операции, состоящие в том, чтобы что-то взять, перенести, установить или привести в действие установку в нужный момент, поддава лись автоматизации с большим трудом.
Эти несложные, но монотонные и утомительные операции выполня лись вручную. Именно для этих операций и разработан промышленный робот, способный взять на себя ряд производственных задач, являвшихся уделом человека.
В настоящее время происходит замена роботов первого поколения с жесткой программой действия и отсутствием обратной связи с окружающей средой на роботы второго поколения. Роботы второго поколения ("очувствленные”) обладают координацией движения с восприятием, при годны для полуквалифицированного труда при изготовлении изделий.
Ведутся поиски путей создания роботов третьего поколения с ис кусственным интеллектом, которые откроют возможность полной замены человека в области квалифицированного ручного труда.
Робот - это автомат, созданный для выполнения работы, орудие про изводства, действующий на принципах ручной работы человека, который может быть обучен.
Промышленный робот имеет "руку" и "кисть”, которые обладают свободой пространственных перемещений, в какой-то степени имитируя ру ку человека. Для программирования промышленного робота не требуется предварительных расчетов и кодировки данных, он обучается в течение од
норазового цикла движений и выполняет эти движения до переобучения. По эффективности действия робот не уступает специализированным авто матам, но в отличие от них легко переводится на выполнение новой рабо ты. Новая работа может отличаться как характером движений, так и сферой применения. То есть при смене его захватывающего устройства робот может обслуживать различное оборудование: пресс, ковочную машину, станок, конвейер и тд.
Это свойство (универсальности) промышленных роботов делает вы годным его применение как в крупносерийном, так и серийном и мелкосе рийном производстве.
В сравнении с человеком робот обладает большими силовыми воз можностями, его можно использовать в корродирующей или сильнозапыленной атмосфере, вредной для человека. Он может работать с раскален ными или сильно охлажденными деталями, в условиях повышенной ра диации и травмоопасных условиях, а также на операциях, требующих от человека повышенного внимания, зде ошибка приводит к серьезным поте рям в производстве.
Кроме того, робот обеспечивает стабилизацию качества продукции, уменьшение брака, так как он не страдает от монотонности или усталости, благодаря исключению перерывов, он повышает коэффициент использова ния основного технологического оборудования. Устраняются такие факто ры, как травматизм, профессиональные заболевания, текучесть кадров.
Применение промышленных роботов может вести к сокращению площадей и объемов производственных участков, снижение затрат на освещение, вентиляцию и тд . (других затрат, связанных с созданием рабо чих условий для человека).
Эти преимущества обеспечивают перспективность массового внед рения промышленных роботов в различные отрасли производства. По ста рым планам к 2000 году в нашей стране только в сварочном производстве должно было использоваться несколько десятков тысяч роботов.
13.1.Общая характеристика промышленного робота
Внастоящее время существует несколько сот типов разнообразных
промышленных роботов - от миниатюрных, способных перемещать дета ли весом в несколько граммов на расстояние, измеряемое сантиметрами, до гигантских, позволяющих оперировать с нагрузками в сотни килограммов на дистанции нескольких метров.
Конструктивно промышленный робот является комплексным устрой ством, состоящим из механической части, системы приводов, системы управления и силового оборудования (рис. 60).
Ряс. 60. Структурная блок-схема промышленного робота
Механическая часть (МЧ) предназначена обеспечить перемещение ра бочего органа с нагрузкой.
Механическая часть представляет собой манипулятор, имеющий несколько степеней свободы, укрепленный на неподвижном или подвиж ном основании. Его конфигурация и габариты определяются видом и осо бенностями технологического процесса, для которого он предназначен.
Манипулятор состоит из независимо перемещающихся механизмов (HOi - ИОп), каждый из которых снабжен собственным приводом (Ш - Пп). Привод по каждой из координат робота обеспечивает силовое воздействие на соответствующий механизм, позволяя реализовать задаваемое переме щение, согласно сигналам, поступающим от устройства управления (УУ).
Устройство управления имеет несколько функций. Его основные зада чи: управлять автоматическим действием робота, обеспечивать связь с об служиваемым оборудованием и осуществлять программирование при обу чении.
В режиме автоматической работы УУ выдает командные сигналы на систему приводов робота по информации запоминающего устройства (ЗУ). Блок синхронизации обеспечивает согласование сигналов, поступающих от внешнего оборудования с внутренними командами. Выносной пульт (ВР) служит для управления манипулятором в процессе обучения. СО - силовое оборудование служит для обеспечения функционирования робота.
13.2. Манипулятор промышленного робота
Манипулятор является исполнительным органом робота. Он пред ставляет собой многозвенный пространственный механизм с разомкнутой кинематической цепью и сложно взаимодействующими звеньями и пред назначен для осуществления управляемых движений рабочего органа. Ра бочим органом робота, выполняющего транспортные операции, служит схват - механическое захватывающее устройство, вакуумный присос или элекгрома1нит. Рабочим органом робота, выполняющего технологические операции, является соответствующий инструмент. Конструкция манипу лятора определяет возможности и свойства промышленного робота. Ис полнительный орган робота должен подобно руке человека перемещать нагруженный схват или иной инструмент в некоторую точку пространства и фиксировать его определенным образом. При этом важны такие факторы, как величина обслуживаемого пространства, занимаемого самим роботом, точность выхода в заданную точку, скорость перемещения, допускаемая величина нагрузки и так далее.
Конструкция механических узлов промышленного робота выбирает ся исходя из противоречивых требований грузоподъемности и значитель ной скорости движения, большой зоны обслуживания и высокой жесткости, достаточной точности, а также малых габаритов.
Для размещения объекта в заданной точке трехмерного пространства достаточно осуществить перемещение по трем независимым координатам.
Манипулятор с тремя степенями свободы пригоден для транспортиро вания объектов, не требующих ориентации, например неаров. Чтобы сориентировать перемещаемый объект надлежащим образом, требуется еще три степени свободы. Возможность совершать независимые движения по шести координатам принципиально обеспечивает необходимые для про мышленного робота манипуляции. Для сравнения - рука человека имеет 27 степеней свободы.
Увеличение числа степеней свободы свыше шести придает манипуля тору ценное свойство маневренности, обеспечивает возможность переме щения рабочего органа при наличии препятствий.
Однако увеличение числа управляемых координат значительно услож няет конструкцию робота, повышает его стоимость, снижает точность дей ствия. Поэтому большинство универсальных роботов имеет пять-шесть сте пеней свободы.
Как правило, региональные движения, т.е. движения для перемещения объекта в пространстве, осуществляют базовым механизмом с тремя степе нями свободы. Локальные движения, служащие для ориентации объекта, выполняют добавочным механическим устройством-кистью робота, имеющим две или три вращательные степени свободы.
Базовый механизм манипулятора может быть решен различной комбинацией поступательных и вращательных движений (рис. 61).
Рис. 61. Кинематические схемы базового механизма
Три поступательных движения соответствуют прямоугольной системе координат (£ис 61, а), два поступательных и одно вращательное движениецилиндрической системе координат (Рис. 61, б), два вращательных и одно поступательное - сферической системе координат (рис. 61, в), три враща тельных движения, осуществляемые в рычажной конструкции с шарнир ными соединениями, не составляют системы независимых координат (Рис.61, г). Система координат базового механизма предопределяет конфи гурацию рабочего пространства робота и собственные его габариты. Ра бочее пространство промышленного робота определяется пределами, в ко торых возможно управляемое перемещение исполнительного органа робо та. У робота с прямоугольной системой координат (рис. 62, а) рабочее про странство представляет собой прямоугольный параллелепипед, размеры которого меньше габаритов самого робота, TJC. длина направляющих огра ничивает перемещения по соответствующим координатам.
Промышленные роботы с цилиндрической или сферической системой координат (тис. 62, б, в) обладают большим объемом рабочего про странства при относительно малой площади основания манипулятора. Еще более компактный робот получается при использовании рычажной кон струкции манипулятора с шарнирными сочленениями (Рис. 62, г). Его ра
бочее пространство определяется размерами рычагов и предельными угла ми их поворотов, образуя объем, близкий к сфере.
Рис. 62. Рабочее пространство промышленных роботов
Конструкция манипулятора в решающей (значительной) мере опреде ляет ошибку позиционирования, т.е. интервал, в пределах которого нахо дятся отклонения действительного размещения рабочего органа робота от заданного. Ошибка позиционирования зависит также от системы приво дов, устройства управления, а также от оператора, обучающего робот.
Ошибка позиционирования, зависящая от конструкции манипулято ра, определяется действием нескольких причин: люфта в сочленениях н на правляющих, упругих деформаций, вибрации. Вибрации рабочего органа при резкой остановке приводят к динамической ошибке, которая может бьпъ уменьшена торможением перед остановкой. Величину вибраций мож но снизить так же, повышая (увеличив) жесткость манипулятором и, по воз можности, устройством демпферов. Ошибка позиционирования, обуслов ленная наличием люфтов, существенна. Кроме того, она возрастает по ме ре износа трущихся частей при эксплуатации робота. Причем износ меха низма вращательного движения увеличивает ошибку в большей степени, чем такой же износ механизма с поступательным движением. Наименьшая ошибка позиционирования рабочего органа присуща системе в прямо угольных координатах, а наибольшая - рычажной конструкции. Цилин-
дрнческая и сферическая системы занимают в этом отношении промежуточ ное положение. Таким образом, выбор системы координат (манипулятора) является компромиссом между различными требованиями, предъявляемыми к роботу.
13.3. Система приводов
Система приводов промышленного робота состоит из нескольких не зависимых устройств, объединенных общим источником энергии. Количе ство устройств привода равно числу управляемых координат робота. Устройство привода является следящей системой по положению, на вход которой подается электрический сигнал, а на выходе устанавливается ме ханическая величина - линейное или угловое перемещение, эта система со держит силовой элемент и средства, координирующие его действия. Связь управляющего сигнала с координатой воспроизводимой точки может быть задана несколькими способами. В случае соответствия управляющего сиг нала расстоянию между текущей точкой и некоторым фиксированным по данной координате начальным положением получается система абсолютно го отсчета. Принимая в качестве начальной точки предыдущее положение исполнительного органа, получаем систему относительного отсчета. Метод абсолютного отсчета требует применения замкнутой системы автоматиче ского регулирования с использованием позиционного датчика (Рис. 63).
Величина механического (линейного или углового) перемещения ис полнительного органа (ИО) <ротмечается позиционным датчиком (ПД), сигнал которого сравнивается с командным сигналом И , подаваемым от устройства управления (УУ). Разность этих сигналов поступает На серво усилитель (У) для управления силовым эпементом(СЭ), который переме щает исполнительный орган (ИО). Точность позиционирования такой си стемы лимитируется возможностями позиционного датчика, который яв ляется весьма сложным и дорогим устройством. В настоящее время исполь зуются аналоговые и дискретные (ПД). Достоинством метода абйлшхгного отсчета является независимость точности позиционирования от таких фак торов, как предыдущее положение ИО, длительность работы, импульсные помехи, сбои в работе электронных счетчиков и тд . Однако Сложность технической реализации снижает масштабы применения этого метода.
Метод относительного отсчета позволяет упростить систеЦу приво да. Замкнутая следящая система привода с относительным отсчетом (Рис. 63, 6) содержит импульсный датчик, который регистрирует величину меха-