Книга
← К списку книгЗагрузка разделов…
активнаАктивные записи участвуют в каталоге и синках. Неактивная книга скрыта, но не удалена из базы.
Книга
ПРЕДИСЛОВИЕ
Промышленная работотехника является одним из новых направлений автоматизации производственных процессов, начало развития которого в нашей стране относится к последнему десятилетию. Комплексный подход к решению технико-экономических и социальных задач, связанных с внедрением промышленных роботов (ПР), позволил высвободить около 2000 рабочих. В процессе создания, производства и внедрения ПР приходилось сталкиваться с решением ряда сложных научно-технических проблем. Получен большой опыт по разработке робототехнических комплексов (РТК) и организации автоматизированного производства на базе ПР. Все эти вопросы, получившие отражение в предлагаемой книге, представляют, по нашему мнению, значительный интерес как для широкого круга специалистов, конструкторов и производственников различных отраслей, которые заняты в настоящее время работой по увеличению производства и широкому применению ПР во всех отраслях народного хозяйства, так и для всех специалистов, работающих в области автоматизации производственных процессов. Кроме того, книга может быть полезна научным работникам, специализирующимся в области автоматизации производства.
За время, прошедшее после XXVI съезда КПСС, проделана большая работа по организации серийного производства новых, перспективных моделей ПР, являющаяся составной частью разрабатываемой всеобъемлющей комплексной программы, охватывающей все стороны роботизации. Только такой подход обеспечивает повышение эффективности народного хозяйства, его интенсификацию.
Поэтому предусматриваются более высокие темпы внедрения и обновления ПР, что позволит в ряде отраслей обеспечить значительный прирост объемов производства без увеличения численности рабочих и служащих.
Л. И. Брежнев в своей речи на ноябрьском (1981 г.) Пленуме ЦК КПСС отмечал, что «Социализм, как общественный строй таит в себе огромные возможности рационального и гуманного применения главной производительной силы общества — человека труда. И эти возможности надо использовать в полной мере».
Ученые и конструкторы, инженеры и техники, рабочие и работницы, занимающиеся созданием, производством и эксплуатацией ПР,отдают себе отчет в том, что на них лежит высокая ответственность по сокращению ручного, особенно тяжелого труда. Они делом стараются показать, что «одиннадцатая пятилетка должна стать — и станет — славной вехой на пути исторических свершений советского народа».
ВВЕДЕНИЕ
Современный этап научно-технической революции характеризуется комплексной автоматизацией производства на базе систем машин—автоматов. До недавних пор в основном применяли специализированные автоматы и автоматические линии, незаменимые в массовом производстве, но нерентабельные в условиях серийного и мелкосерийного производства из-за высокой стоимости, а также длительности разработки, внедрения и переналадки их на новую продукцию. Традиционное управляемое вручную оборудование обеспечивает достаточную гибкость производства, но требует применения квалифицированного труда рабочих и имеет низкую производительность.
За последние десятилетия автоматизация основных технологических операций (формообразование и изменение физических свойств деталей) достигла такого уровня, что вспомогательные операции, связанные с транспортировкой и складированием деталей, разгрузкой и загрузкой технологического оборудования, выполняемых вручную либо с помощью существующих средств механизации и автоматизации, являются тормозом как в повышении производительности труда, так и в дальнейшем совершенствовании технологии. Обычными методами с помощью существующих технических средств невозможно автоматизировать сборочные, сварочные, окрасочные и многие другие операции. Все это привело к острым противоречиям между совершенством промышленной техники и характером труда при ее использовании, потребностью в трудовых ресурсах и их фактическим наличием, требованиями интенсификации производственных процессов и ограниченными психофизиологическими возможностями человека. Эти причины социального, экономического и технического характера, ставшие основными сдерживающими факторами в развитии производства и дальнейшем повышении производительности труда, а также современные достижения в создании орудий производства, вычислительной техники и электроники привели к бурному развитию робототехники — отрасли, создавшей и производящей новую разновидность автоматических машин — промышленные роботы. По замыслу разработчиков эти машины предназначены для замены человека на опасных для здоровья, физически тяжелых и утомительно однообразных ручных работах. Свое название они получили благодаря реализованной в них идеи моделирования двигательных, управляющих и, в некоторой степени, приспособительных функций рабочих, занятых на повторяющихся трудовых операциях по разгрузке-загрузке технологического оборудования, управлению работой этого оборудования, межоперационному перемещению и складированию деталей, а также на различных 4
сборочных, сварочных, окрасочных и других операциях, выполняемых с применением переносных орудий труда.
Промышленные роботы (ПР) оказались тем недостающим звеном, появление которого позволило решать задачи комплексной автоматизации на более высоком уровне, объединяя средства производства предприятия в единый автоматизированный комплекс.
Ближайшими по назначению прототипами для ПР послужили автооператоры и механические руки, уже давно применяющиеся в промышленности, но не удовлетворяющие производственников по причинам их узкой специализации, плохой переналаживае- мости, небольшого числа выполняемых функций и ограниченной (массовым и крупносерийным производством) области применения. Недостатки, присущие этим прототипам, в конструкциях ПР были в значительной степени устранены посредством увеличения их манипуляционных возможностей, снабжения собственной системой привода и системой программного управления. Благодаря этому созданные устройства приобрели качественно новые свойства: автономность в смысле невстроенности в технологическое оборудование и способность работать автоматически по заданной программе; универсальность, т. е. способность перемещать в пространстве объекты различного типа по сложным пространственным траекториям, сопрягаемость с достаточно большим количеством типов технологического оборудования и хорошую переналаживае- мость на различные сменяющиеся виды работ.
Начало работ в нашей стране по созданию ПР относится практически к 1969 г., когда при активном участии большинства авторов этой книги был разработан робот «Универсал-50». В 1971 — 1972 гг. были созданы роботы УМ-1, УПК-1, в 1973 г. выпущен опытный образец робота «Универсал-5», в 1975 г. — опытные образцы роботов «Циклон-ЗБ» и «Универсал-15М», которые впоследствии нашли широкое применение на производстве.
Выдающуюся роль в развитии теории роботов и организации работ по их созданию сыграл Герой Социалистического труда академик И. И. Артоболевский (1905—1977 гг.), долгие годы возглавлявший координационный совет по робототехнике АН СССР.
Талантливым организатором и руководителем работ по созданию первых отечественных ПР «Универсал-50», «Циклон-ЗБ», «Универсал-5» и «Универсал-15М» и ряда их модификаций явился Лауреат Государственной премии Б. Н. Сурнин (1931 —1979 гг.). С именем Б. Н. Сурнина связано внедрение в производство первых ПР гаммы «Циклон» и «Универсал». Так, практически была показана эффективность ПР как нового средства автоматизации ручных работ на производстве, подтверждена возможность автоматизации технологических процессов на базе применения ПР в больших масштабах и в короткие сроки.
Признанные всеми достижения СССР в развитии робототехники определяются заблаговременной и продуманной программой под-
готовки кадров, которую в течение длительного времени возглавляют члены-корреспонденты АН СССР И. М. Макаров, Е. П. Попов, Д. Е. Охоцимский и профессор Е. И. Юревич.
Коммунистическая партия СССР поставила перед советскими учеными, инженерами и техниками грандиозные задачи по дальнейшему развитию робототехники. В 1980 г. ЦК КПСС, обсуждая меры по увеличению производства и широкому применению автоматических манипуляторов в отраслях народного хозяйства, отметил, что «осуществление развернутой программы работ в этой отрасли будет способствовать решению проблемы трудовых ресурсов в одиннадцатой и двенадцатой пятилетках».
В «Основных направлениях экономического и социального развития СССР на 1981 —1985 годы и период до 1990 года», принятых XXVI съездом КПСС, задачи ускорения технического прогресса были детализированы. В качестве одной из главных признана задача развития производства и обеспечения широкого применения автоматических манипуляторов (промышленных роботов), которые совместно с системами автоматического управления с использованием микропроцессоров и мини-ЭВМ станут базой для создания автоматических цехов и заводов.
В настоящее время под роботом понимают автоматический манипулятор с программным управлением. В зависимости от участия человека в процессах управления роботами их подразделяют на биотехнические и автономные, или автоматические.
К биотехническим роботам относятся дистанционно управляемые копирующие роботы; экзоскелетоны; роботы, управляемые человеком с пульта управления; полуавтоматические роботы.
Дистанционно управляемые копирующие роботы снабжены задающим органом (например, манипулятором, полностью идентичным исполнительному), средствами передачи сигналов прямой и обратной связи и средствами отображения информации для человека-оператора о среде, в которой функционирует робот.
Экзоскелетоны выполняются в виде антропоморфных конструкций, обычно «надеваемых» на руки, ноги или корпус человека. Они служат для воспроизведения движений человека с некоторыми необходимыми усилиями и имеют иногда несколько десятков степеней подвижности.
Роботы, управляемые человеком с пульта управления, снабжаются системой рукояток, клавиш или кнопок, связанных с исполнительными механизмами каналов управления по различным обобщенным координатам. На пульте управления устанавливают средства отображения информации о среде функционирования робота, поступающей к человеку по радиоканалу связи.
Полуавтоматический робот характерен сочетанием ручного и автоматического управления. Он снабжен супервизорным управлением для вмешательства человека в процесс автономного функционирования робота путем сообщения ему дополнительной 6
информации с помощью указания цели, последовательности действий и т. п.
Роботы с автономным или автоматическим управлением обычно подразделяют на производственные и научно-исследовательские роботы, которые после создания и наладки в принципе могут функционировать без участия человека.
По областям применения производственные роботы подразделяют на промышленные, сельскохозяйственные, транспортные, строительные, бытовые и т. п.
За короткий период развития роботов произошли большие изменения в элементной базе, структуре, функциях и характере их использования. Это привело к делению роботов на поколения [36 ].
Роботы первого поколения (программные роботы) имеют жесткую программу действий и характеризуются наличием элементарной обратной связи с окружающей средой, что вызывает определенные ограничения в их применении.
Роботы второго поколения (очувствленные роботы) обладают координацией движений с восприятием. Они пригодны для малоквалифицированного труда при изготовлении изделий. Программа движений робота требует для своей реализации управляющей ЭВМ.
Неотъемлемая часть роботов второго поколения — алгоритмическое и программное обеспечение, предназначенное для обработки сенсорной информации и выработки управляющих воздействий.
Роботы третьего поколения относятся к роботам с искусственным интеллектом. Они создают условия для полной замены человека в области квалифицированного труда, обладают способностью к обучению и адаптации в процессе решения производственных задач. Эти роботы способны понимать язык и вести диалог с человеком, формировать в себе модель внешней среды с той или иной степенью детализации, распознавать и анализировать сложные ситуации, формировать понятия, планировать поведение, строить программные движения исполнительной системы и осуществлять их надежную отработку.
Появление роботов различных поколений не означает, что они последовательно приходят на смену друг другу. В процессе развития совершенствуются функциональные возможности и технические характеристики роботов различных поколений.
К роботам первого поколения относят обычно промышленные роботы. По количеству внедренных ПР наша страна занимает одно из ведущих мест в мире.
Блок-схема ПР представляет собой сложную конструкцию (рис. 0.1), включающую ряд систем: механическую, приводов управления, связи с оператором, информационную, а также операционное устройство. Механическую систему выполняют, как правило, в виде манипулятора, имеющего несколько степеней подвижности, укрепленного на неподвижном или подвижном
Рис. 0»1. Блок-схема промышленного робота основании; она обеспечивает перемещение рабочего органа с определенным грузом. Форма и габаритные размеры манипулятора определяются видом и особенностями технологического процесса, для которого он предназначен.
Созданные модели ПР представляют собой по существу многокоординатные манипуляторы с программным управлением, программируемые по первому циклу. Их системы управления помимо основных функций по управлению движением рабочих органов манипулятора обеспечивают выдачу сигналов на обслуживаемое оборудование, прием сигналов от простейших датчиков внеш
ней информации, работающих по принципу Да—Нет, и использование этих сигналов в целях выбора той или иной подпрограммы работы из числа заданных оператором. Наличие внешнего контура управления существенно расширило области применения созданных ПР, так как позволило использовать их по отношению к автоматизи
рованному процессу не только в качестве универсальных манипулирующих, но также и в качестве управляющих устройств. Наличие датчиков и соответствующих электронных схем внешней информации придало этим ПР принципиально новую способность адаптации к изменяющимся условиям работы.
Привод для каждой из координат ПР обеспечивает силовое воздействие на соответствующий механизм, осуществляющий задаваемое перемещение. Приводом служит автоматическая система, входным сигналом которой является детерминированное воздействие управляющей системы, а выходным сигналом — механическое перемещение.
Разработка типажа ПР, имеющего существенное значение для организации их производства, проведения научно-исследовательских и опытно-конструкторских работ еще не закончена. В настоящее время наиболее разработан типаж ПР первого поколения. Так, например, в станкостроительной и инструментальной промышленности по структуре типаж этих ПР подразделяют на следующие группы и подгруппы [211: универсальные ПР, обслуживающие различное технологическое оборудование и выполняющие различные основные технологические операции; целевые ПР подъемно-транспортной группы (многоцелевые), обслуживающие различное технологическое оборудование, выполняющие транспортно-складские и специальные работы; целевые ПР производственной группы (многоцелевые) для выполнения различных технологических операций сварки, очистки и подготовки деталей,
Рис. 0.2. Блок-схема робототехнического комплекса:
АТСС — автоматизированная транспортно-складская система; ОЭУ — подсистема организационно-технического управления
окраски и нанесения по- крытий, разборки, контроля, измерения, Отбраковки, разметки и сборки.
Первым и основным этапом разработки любого типажа является типоразмерный ряд, который регламентирует следующие основные параметры ПР: максимальную грузоподъемность (0,64—1000 кг), тип компоновки и конструктивное выполнение, максимальный радиус обслуживания (/?тах берется
в соответствии с рядом
предпочтительных чиселР 40 по ГОСТ 8032—56), вертикальный и горизонтальный ход руки (Я с 0,87?тах) и число степеней подвижности. На основании изучения основного состава технологического оборудования по отраслям, последующих усреднений и анализа массы обрабатываемых деталей различных групп и различных типов инструментов был предложен следующий ряд по грузоподъемности ПР: 0,04—0,64; 1,25 — 160; 250 — 1000 кг и более. Основной ряд типоразмеров включает модели грузоподъемностью 10 — 160 кг. Данный ряд регламентирует по каждому типоразмеру максимальную грузоподъемность, обеспечивающуюся при минимальных скоростях перемещений рабочих органов манипулятора каждой модели и соответствующую основному ряду 10/3 (ГОСТ 8032—56) предпочтительных чисел. Уменьшение грузоподъемности при работе ПР на быстрых ходах не регламентируется. Опыт создания ПР показал, что при разработке отдельных модификаций робота допустимы отклонения максимальной грузоподъемности от номинального значения для базовых моделей в пределах ±20 %.
Вторая, не менее важная и сложная задача — создание комплексно-роботизированных производств и участков. Основной ячейкой таких производств является робототехнический комплекс (РТК), представляющий совокупность технологического оборудования и ПР, размещенных на определенной площади и предназначенных для выполнения одной или нескольких технологических операций в автоматическом режиме. Оборудование, входящее в состав РТК, группируется (рис. 0.2) в три основные подсистемы:
Рис. о.З. Классификация робототехнических комплексовРис. о.З. Классификация робототехнических комплексов
Рис. о.З. Классификация робототехнических комплексов
Рис. о.З. Классификация робототехнических комплексов
подсистему обработки, обслуживающую подсистему и подсистему контроля и управления. В подсистему обработки входит основное оборудование, модернизированное по условиям сопряжения с ПР. Обслуживающая подсистема содержит устройства для размещения деталей на входе в РТК, межоперационные транспортирующие и накопительные устройства, устройства для приема обработанных изделий, а также ПР.
Подсистема контроля и управления содержит комплекс технических программных средств контроля, измерения, регулирования, вычисления, логического управления, регистрации, аварийной защиты, обеспечивающих в совокупности требуемую информационно-логическую структуру алгоритма функционирования РТК, надежность и стабильность выполнения всех операций технологического процесса. В этой подсистеме можно выделить несколько контуров управления, содержащих различную датчиковую аппаратуру, средства первичной обработки, передачи и хранения информации, устройства выработки управляющих сигналов и воздействия на технологический процесс. Эти контуры по функциональному признаку подразделяют на следующие основные группы: контур контроля наличия, ориентации, точности расположения объектов в рабочих позициях РТК и управления операциями захвата, перемещения и установки объектов ПР; контур контроля параметров технологического процесса и управления режимами и процессом обработки; контур контроля правильности срабатывания рабочих органов технологических машин и приспособлений, контроля технического состояния оборудования, инстру- 10
мента и управления работой приспособлений, различных вспомогательных устройств, а также аварийной защиты РТК.
В простейших РТК эти контуры реализуются на базе автономных устройств управления ПР и технологического оборудования. В сложных РТК, имеющих распределенную иерархическую структуру системы управления, в качестве управляющего органа используют управляющие вычислительные комплексы.
В сложных РТК помимо перечисленных трех основных подсистем могут содержаться еще несколько подсистем, в том числе подсистема инструментального обеспечения, автоматизированная транспортно-складская подсистема, подсистема технического обслуживания, подсистема организационно-технического управления.
По принципу общности структуры построения все множество конкретных РТК делится на два основных класса. К одному из них относятся РТК, в которых ПР используются в комплексе с основным технологическим оборудованием. Примерами таких РТК могут служить РТК механической обработки, литья под давлением, холодной и горячей штамповки, термообработки. Ко второму классу относятся РТК, образуемые на основе ПР, оснащенных переносными орудиями труда. К этому классу принадлежат РТК точечной сварки, нанесения покрытий, сборки, контроля.
На рис. 0.3 показана классификация РТК по производственному назначению. Как показал опыт внедрения, РТК является новой формой технической и организационной ячейки, наиболее полно отвечающей потребностям современного производства. Робототехнический комплекс — гибкая, экономная и рациональная форма обработки деталей и изделий более высокой стоимости и лучшего качества средними и малыми сериями. РТК реализует стремление к снижению напряженности человека в работе, связанной с необходимостью приноравливаться к циклу машины, приводит к замене конвейерных линий сборочными бригадами, в основу управления которыми положен бригадный подряд.
Глава
УНИВЕРСАЛЬНЫЕ ПРОМЫШЛЕННЫЕ РОБОТЫ, УСТРОЙСТВО И ХАРАКТЕРИСТИКИ
РОБОТ « УН И ВЕРСАЛ-5»
Робот «Универсал-5» применяют для автоматизации загрузочно-разгрузочных работ при обслуживании технологического оборудования, для межоперационного и межстапочного транспортирования объектов обработки, заменяя рабочих при выполнении ряда тяжелых, опасных и монотонных технологических операций. Исполнительной составной частью робота «Универсал-5» является манипулятор [А. с. № 372885 (СССР)], показанный на рис. 1.1, который связан пневматическими и электрическими линиями энергопитания и управления с системой подготовки воздуха, блоком управления воздухораспределителями и системой программного управления (СПУ) мод. ПУР-2М. СПУ часто называют устройством программного управления, или управляющим устройством. Система подготовки воздуха выполнена в виде автономного блока, включающего также блок управления воздухораспределителями. Такая система предназначена для очистки воздуха, поступающего в пневмоцилиндры манипулятора от механических примесей, влаги, для обеспечения смазки трущихся поверхностей пневмоцилиндров, а также для контроля и поддержания стабильного давления сжатого воздуха в пневмосети манипулятора.
Аналого-позиционная СПУ обеспечивает обучение по первому циклу, а также дальнейшую автоматическую работу по этому циклу рабочего органа (схвата) манипулятора по всем степеням подвижности.
Краткая техническая характеристика робота «Универсал-5» приведена ниже.
Техническая характеристика робота «Универсал-5»
Масса переносимого груза, кг 5
Тип привода Электропневматичсский
Число программируемых степеней подвижности: всего б
транспортирующих 4
ориентирующих 2
Диапазоны перемещений:
подъем-опускание руки сплатформой, мм . . . .400
поворот руки с платформой,рад1 5,74
поворот руки, рад 4,17
выдвижение руки, мм 700
вращение схвата, рад
сгибание схвата, рад
Точность позиционирования, мм
Время, с:
поворота платформы на угол 3,14 рад подъема-опускания платформы на 300 мм . . . . поворота руки на угол 3,14 рад выдвижения-втягивания руки иа 500 мм
Тип системы программного управления (см, ниже)
Связь с ЭВМ
Датчики положения
Габаритные размеры манипулятора, его рабочая зона, величины установочных и рабочих перемещений схвата Потребляемая мощность, кВт Масса — всего, кг в том числе СПУ
3,143,14±26,6343Аналого-позициониаяПУР-2МОтсутствуетПотенциометры ППМЛ3,143,14±26,6343Аналого-позициониаяПУР-2МОтсутствуетПотенциометры ППМЛСм. рис. 1.21,669080См. рис. 1.21,6690801 1 рад — 57,3°.
3,14
3,14±2
6,6
3
4
3Аналого-позициониаяПУР-2МОтсутствуетПотенциометры ППМЛ
3,14
3,14±2
6,6
3
4
3Аналого-позициониаяПУР-2МОтсутствуетПотенциометры ППМЛ
См. рис. 1.2
1,6
690
80
См. рис. 1.2
1,6
690
80
На рис. 1.3 показана кинематическая схема манипулятора робота «Универсал-5».
Основными узлами манипулятора являются: рука 16, оснащенная схватом, который предназначен для захвата и удержания деталей, заготовок, инструмента и т. д.; механизм выдвижения руки 21, обеспечивающий перемещение руки вдоль оси ///—III; механизм поворота руки 28, предназначенный для ее вращения в горизонтальной плоскости вокруг оси //—// на угол до 4,17 рад; механизм подъема 37, обеспечивающий перемещение руки вдоль оси /—/; механизм поворота 42, обеспечивающий поворот механизма подъема и руки вокруг оси /—/ на угол до 5,74 рад; пневмо-
Рис, 1.1. Манипулятор робота <Универсал-5»
граммирование перемещений пограммирование перемещений по
граммирование перемещений по
граммирование перемещений по
Рис. 1.2. Схема манипулятора робота « Универсал-5»
панель 19, предназначенная для распределения сжатого воздуха в соответствующие полости пневмоцилиндров руки.
В состав руки входит механизм сгибания схвата, позволяющий поворачивать схват вокруг оси сгиба на угол до 3,14 рад, и механизм вращения кисти, предназначенный для поворота схвата вокруг оси ///—/// на угол до 3,14 рад. Таким образом, манипулятор имеет шесть степеней подвижности, из которых сгибание схвата и поворот кисти являются
ориентирующими. Про- этим степеням осуществляется
с помощью жестких переналаживаемых упоров. Остальные че
тыре степени подвижности являются транспортными, программируемыми в пространстве. Каждый из механизмов, определяющих ту или иную степень подвижности, отрабатывает одну из координат, заданную программой работы, и управляется от СПУ. Рука является сборной конструкцией. Для захвата предметов она снабжена специальным узлом — схватом с губками, совершающими при зажиме-разжиме плоскопараллельные перемещения. Губки перемещаются от пневмоцилиндра 25, закрепленного на рычагах. Зажим губок происходит при подаче сжатого воздуха в рабочую полость пневмоцилиндра, а разжим — после сброса давления в этой полости под действием пружин, установленных в пневмоцилиндре. Сгибание схвата осуществляется относительно оси IV—IV (см. рис. 1.2) посредством реечно-зубчатой передачи. Ограничение угла поворота зубчатого колеса 24 (рис. 1.3) регулируемыми упорами достигается регулировка угла сгибания схвата.
Привод описываемого механизма — пневматический. Его иневмоцилипдр // установлен на противоположном по отношению к схвату конце руки робота. Воздействие на рейку передается через шток, связанный с поршнем пневмоцилиндра сгибания схвата. Для обеспечения плавности работы пневмоцилиндра сгибания схвата в его конструкции предусмотрено демпфирующее устройство 12. В поршне этого устройства имеется калиброванное
отверстие, через которое при перемещении поршня масло перетекает из одной полости устройства в другую.
Механизм вращения кисти работает от пневматического привода. Его пневмоцилиндр 13 имеет аналогичное по конструкции демпфирующее устройство 14. При подаче сжатого воздуха в рабочую полость пневмоцилиндра вместе с поршнем будет перемещаться ползун 17, представляющий собой полый тонкостенный цилиндр, стенки которого имеют два сквозных паза типа двухзаходной резьбы с шагом 130 мм. В пазы входят два шарикоподшипника, сидящие на осях водила 23.
Водило шарнирно соединяется с кистью. При поступательном перемещении ползуна подшипники, закрепленные на водиле, копируя направления винтовых пазов ползуна, поворачивают водило и связанную с ним кисть, установленную в подшипниках. Ползун зафиксирован от проворота подшипником, установленным на оси, запрессованной в ползун. Подшипник упирается в кромки продольного паза, выполненного на стенке цилиндра 10. Угол враще-
иля кисти из среднего положения в любое крайнее можно регулировать, закладывая шарики в кольцевой канал круглого сечения, предусмотренный во фланце цилиндра 10 и прилегающей к нему крышке.
На наружной поверхности цилиндра 10 имеются обработанные вдоль оси шлифованные дорожки под роликовые опоры, на которых рука устанавливается внутри механизма выдвижения. Для зацепления с ведущим зубчатым колесом механизма выдвижения руки служит зубчатая рейка 15, закрепленная на цилиндре 10 винтами и штифтами. Механизм выдвижения руки представляет собой двухступенчатый редуктор с цилиндрическими зубчатыми передачами и приводом от электродвигателя постоянного тока 22, обеспечивающий перемещение схвата в радиальном направлении.
Выбор зазоров в зубчатых зацеплениях механизма достигается конструкцией зубчатых колес, которые выполнены разрезными. Каждые две половинки колес объединены между собой пружин- а ными кольцами. На выходном валу механизма закреплено разрезное зубчатое колесо 18, которое входит в зацепление с зубчатой рейкой, установленной на руке. Обратную связь привода механизма с СПУ по скорости и положению осуществляют с помощью тахогенератора и датчика положения. Датчиком положения является многооборотный проволочный потенциометр 27 с линейной характеристикой. В качестве тахогенератора использован электродвигатель постоянного тока 20. Внутри корпуса механизма установлены опорные подшипники, по которым перемещается рука манипулятора. Верхние подшипники за счет тарельчатых пружин прижимают руку к нижним подшипникам.
Механизм поворота руки предназначен для ее поворота вокруг вертикальной оси //—II на угол 2,09 рад от среднего положения в обе стороны. Механизм поворота — это редуктор с цилиндрическими зубчатыми и червячной передачами. На корпусе механизма размещается электродвигатель постоянного тока 7, который I! через муфту и цилиндрические колеса редуктора 8 передает вращение на однозаходный червяк 29, находящийся в зацеплении с разрезным червячным колесом. Регулировку бокового зазора в червячном зацеплении обеспечивают эксцентриком, с помощью которого верхняя половина червячного колеса проворачивается относительно нижней.
Обратная связь механизма поворота руки, а также остальных рассматриваемых ниже механизмов манипулятора, с СПУ по скорости и положению обеспечивается теми же средствами, что и i в механизме выдвижения руки. Тахогенератор 9 установлен соосно с червяком и соединен с ним муфтой. Потенциометр 26 крепят на кронштейне к корпусу механизма. Вращение на вал потенциометра передают через зубчатую мелкомодульную пере- i дачу, одно из колес которой закреплено на выходном валу механизма, а второе непосредственно на валу потенциометра. Механизм подъема монтируют на поворотной платформе механизма поворота.
Он состоит из пантографа 32, платформы 30, скалки 5, двух параллельно смонтированных направляющих, по которым на роликах перемещается каретка 40, и привода подъема. Подвижная опора пантографа в его нижней части закреплена на каретке.
Пантограф перемещается вертикально. Он состоит из рам, шарнирно связанных между собой и верхней платформой 30, к которой крепят механизм поворота руки и скалку 5, сопрягающуюся с коническими роликами 6. Положение роликов в каретке регулируется, что позволяет добиться перемещения каретки по направляющим без толчков и заеданий. Привод подъема состоит из винтовой передачи 38, левой и правой опор, каретки 40, двух электродвигателей постоянного тока 33, 35, тахогенератора 4.
Винтовая передача конструктивно представляет собой корпус, устанавливаемый в каретке, две гайки 39 и винт 38 с трапецеидальной резьбой. В левой и правой опорах размещены опорные под- । шипники винта. Правая опора представляет собой понижающий редуктор 34 с коническими и цилиндрическими зубчатыми колесами, через которые передается вращение от электродвигателей на винт. Для выбора бокового зазора в зацеплении цилиндрических колес зубчатое колесо выполнено из двух половин, разводимых пружинным кольцом. В левой опоре 3 установлены потенциометр 2 и тахогенератор 4. Для уравновешивания нагрузки в конструкции механизма подъема применены пружины 31, установленные в верхней части пантографа.
В нижней части манипулятора расположен механизм поворота, выполненный в виде сборной конструкции. Верхняя подвижная платформа получает вращение от привода поворота, установленного на неподвижной нижней опоре. Привод поворота состоит из червячного редуктора /, электродвигателя постоянного тока 41, тахогенератора 44. Выбор зазора в червячном зацеплении осуществляют аналогично описанному ранее способу. Крутящий момент на подвижную платформу передается через цилиндрическую зубчатую передачу, одно из зубчатых колес которой закреплено непосредственно на выходном валу червячного редуктора, второе — на подвижной платформе. Соосно с червяком 43 редуктора расположен тахогенератор.
На неподвижной опоре установлен кронштейн с амортизирующими резиновыми пластинами, который является ограничителем поворота подвижной платформы. На специальном кронштейне, закрепленным на неподвижной опоре, установлен потенциометр 36. Валик потенциометра получает вращение через зубчатую передачу.
На пневмопанели 19 закреплены три воздухораспределителя и маслораспылитель. Подвод воздуха к пневмопанели осуществляют у от системы подготовки воздуха. Воздухораспределители управляют распределением сжатого воздуха в соответствующие полости пневмоцилиндров схвата, механизма сгибания схвата и вращения кисти руки.
Совершенствование робота «Универсал-5» проводилось в направлении увеличения показателей надежности и улучшения некоторых других технических характеристик. Была создана модернизированная модель — робот «Универсал-5.02». Эта модель включает в свой состав серийный манипулятор «Универсал-5» с незначительными изменениями в конструкции, аналого-позиционную систему программного управления АПС-1 и трехфазный тиристорный преобразователь ЭПТ6-У5.02. В результате этого была повышена точность позиционирования рабочего органа манипулятора до ±1 мм, увеличены в 1,5—2 раза средние скорости схвата манипулятора по всем транспортным степеням подвижности, увеличена на 10—15 % емкость памяти, улучшены динамические показатели перемещения схвата.
РОБОТ «УНИВЕРСАЛ-15» И ЕГО МОДИФИКАЦИИ
Робот «Универсал-15.01» . Робот «Универсал-15М» (в дальнейшем получивший наименование «Универсал-15.01») является базовой моделью гаммы роботов различного технологического назначения.
Робот «Универсал-15.01» (рис. 1.4 и 1.5) состоит из манипулятора 2 (рис. 1.5) и системы программного управления / типа ПУР-2М. Техническая характеристика робота приведена в табл. 1.1. Манипулятор робота имеет следующую компоновку. На сварной раме 19 основания закреплены гидростанция 20, ось 18, на которой на подшипниках качения установлена поворотная платформа 16. На нижнем торце поворотной платформы закреплено
Рис* 1.4. Робот « Универсал-15.01»
18
Рис. 1.5. Компоновка и рабочая зона робота« Универсал-15.01»Рис. 1.5. Компоновка и рабочая зона робота« Универсал-15.01»
Рис. 1.5. Компоновка и рабочая зона робота
« Универсал-15.01»
Рис. 1.5. Компоновка и рабочая зона робота
« Универсал-15.01»
приводное зубчатое колесо 13, кинематически связанное с приводом поворота 14, который закреплен на раме 19. На верхний торец поворотной платформы установлен корпус механизма поперечного сдвига 3, имеющий в своей центральной части полость, в которой находится коллектор 4 передачи энергоносителя — масла на перемещаемые узлы манипулятора. На плите 5 механизма поперечного сдвига установлен проставок 6 коробчатой формы. На верхний торец проставка 6 установлены два кронштейна 7, 15, в которых базируются на шарикоподшипниках цапфы руки. На кронштейн 15 установлен привод выдвижения кисти 17. а на кронштейн 7 — коллектор передачи энергоносителя к узлам руки. На переднем торце проставка закреплен механизм // перемещения руки в вертикальной плоскости, гайка которого шарнирно связана с кронштейном, установленным на нижней плоскости корпуса руки 10. На верхнем торце этого корпуса установлены приводы ориентирующих движений 9. В корпусе руки сбазированы на опорах шестигранные валы 8, которые служат для крепления кисти 12 и передачи движения на нее. Такая компоновка манипулятора обеспечила работу как в сферической, так и в декартовой системе координат; достаточную жесткость конструкции; доступность узлов манипулятора при ремонте и обслуживании; минимальную массу перемещаемых узлов; необходимую рабочую зону робота.
Привод гидроусилителя (рис. 1.6) является унифицированным узлом и предназначен для снижения частоты вращения управляющего электродвигателя с 3600 до 1050 об/мин, поступающей па 19
о 1'1. Технические характеристики робота «Универсал-15.01» и его модификаций
Характеристика
Модель робота
«Универсал-15.01»
«Универсал-1 5.02»
«Универсал-15.03»
«Универсал-15.04»
«Универсал-15.05»
«Универсал-60.01»
«Универсал-60.02»
Масса переносимого груза, кг Привод:
тип
исполнительный орган
15
15
15
Электрогидр Гидромото
15
□механически ры 2МГ18-2
15
и
60
60
Гидромоторы со следящими гидрораспределителями
Число программируемых степеней подвижности — всего В том числе:
6
6
6
6
6
6
7
транспортирующих
3
3
3
3
3
3
3
ориентирующих
Диапазоны перемещений:
3
3
3
3
3
3
4
поворот руки вокруг вертикальной оси, рад
5,93
5,93
5,93
5,93
1,57
5,93
1,57
поперечный сдвиг руки, мм
400
400
—
400
400
400
400
качание руки вокруг горизонтальной оси, рад
0,87
0,87
0,87
0,87
0,87
0,87
0,87
выдвижение кисти, мм
1000
1020
1400
1000
1000
1000
1000
угол сгибания кисти, рад
3,29
3,29
3,29
3,29
3,29
3,29
3,29
угол вращения кисти, рад
6,28
6,28
6,28
6,28
6,28
6,28
6,28
Максимальная скорость перемещения, м/с
1,0
1,2
1,2
1,4
0,5
1,2
1,4
Максимальное усилие схвата, Н
2000
2000
2000
2000
2000
3000
—
Точность позиционирования, мм
±3
±3
±2
±1
±0,5
-4-3
-+-1
Тип системы программного управления
Метод программирования
Способ задания координат
ПУР-2Л1
Аналого-позиционная
АПС-1 | АПС-1
Предварит Обучен
Цифровая УПМ-722
ельный набор ие по первом
СГУ [18]
программы у циклу
Аналого- позиционная АПС-1
Цифровая
УПМ-772
Программоноситель: тип
Штекерный барабан
Накопитель
Штекер-
Накопитель
на магнит-
ный бара-
на магнит-
ной ленте
бан
ной ленте
число программ
емкость программы, кадров
50
б‘о
1
60
4 3200
1
60
4 3200
библиотека программ
Программирование перемеще-
Отсутствует
88
Отсутствует
99
ний схвата:
6
число координат
число положений:
6
6
6
6
6
по транспортирующим коор-
16
14
14
3200
—
14
3200
динатам (для руки)
по ориентирующим координата (для кисти)
8
7
7
3200
—
7
3200
контроль положения
По датчикам положения
Программирование технологи - ческих команд:
число команд число направлений параметры выхода
12
1 Нормально-
1414
111
Нормально-открытые
60 4 Герконовые
10
14
1 Нормально-
60
4 Герконовые
открытые
контакты
РЭН-33
контакты
открытые
контакты
контакты
РЭС-64
контакты
РЭС-64
РЭС-22
РЭН-33
контрольисполнения(по числу шин)
12
14
14
15
—
14
15
Число:
задержек времени
3
3
3
10
—
3
10
2
команд на манипулятор программируемых скоростей
2
7
2
7
2
3
2
2
2/3
движения
степеней точности
1
2
2
3
2
2
3
Последовательность отработки
Естественная с б
езу-
С наличием
—
Естествен-
С наличием
программ
словным переходом
команд ус-
ная с бе-
команд ус-
к очередному кадру
ловного и
зусловным
ливно! и и
безуслов-
переходом
безуслов-
ного пере-
к очеред-
ного
хода
ному кадру
перехода
Продолжение табл. 1.1Продолжение табл. 1.1Рис, 1.6, Привод гидроусилителяРис, 1.6, Привод гидроусилителяРис. 1.7. Привод и механизм поворота манипулятораРис. 1.7. Привод и механизм поворота манипулятора
Продолжение табл. 1.1
Продолжение табл. 1.1
Рис, 1.6, Привод гидроусилителя
Рис, 1.6, Привод гидроусилителя
Рис. 1.7. Привод и механизм поворота манипулятора
Рис. 1.7. Привод и механизм поворота манипулятора
входной вал гидроусилителя 8, и для устранения влияния гидроусилителя на задающий двигатель.
Движение от электродвигателя 1 передается через пару мелкомодульных колес 12, 4 на двухзаходный червяк 5, который связан с червячным колесом 11. Червячное колесо // соединено с выходным валом 10 через фрикционную муфту 9, предохраняющую червячную пару от перегрузок при ударе исполнительных механизмов о какую-либо преграду. Выходной вал червячного редуктора связан с входным валом гидроусилителя через пару цилиндрических мелкомодульных колес 6, 7, что обеспечивает общее передаточное число привода i = 3, 4. Червячная пара введена в кинематическую цепь привода для предохранения задающего двигателя от влияния гидроусилителя. С мелкомодульным зубчатым колесом 4 через муфту 3 связан тахогенератор 2, служащий для передачи сигнала о скорости в СПУ промышленного робота.
На рис. 1.7 показан привод и механизм поворота манипулятора. Поворотная платформа 1 закреплена на стакане 2, который базируется на двух радиальных подшипниках 3 и упорном подшипнике 4 на оси 5. Движение от гидроусилителя 20 и через муфту 21
Рис. 1.8. Механизм поперечного сдвига манипулятораРис. 1.8. Механизм поперечного сдвига манипулятораРис. 1.9. Механизм перемещения руки в вертикальной плоскостиРис. 1.9. Механизм перемещения руки в вертикальной плоскости
Рис. 1.8. Механизм поперечного сдвига манипулятора
Рис. 1.8. Механизм поперечного сдвига манипулятора
Рис. 1.9. Механизм перемещения руки в вертикальной плоскости
Рис. 1.9. Механизм перемещения руки в вертикальной плоскости
передается на зубчатое колесо 7 и далее по двум кинематическим цепям —к зубчатому венцу 6, установленному на нижнем торце платформы 1. Первая цепь включает зубчатые колеса 19, 17, 18, вал 16, зубчатое колесо 15, которое связано с зубчатым венцом 6. Вторая цепь предназначена для выбора зазора, имеет с первой одинаковое передаточное число, равное 79, и состоит из зубчатых колес 8—10, торсиона 11 и зубчатого колеса 12, которое связано с венцом 6. При предварительной закрутке торсиона 11 зубчатыми колесами создается распорная сила, обеспечивающая отсутствие зазора в передаче.
Для обеспечения связи кинематической цепи с датчиком положения вал 16 через беззазорный мелкомодульный редуктор 14 связан с датчиком положения 13.
На рис. 1.8 показан механизм поперечного сдвига. В алюминиевом корпусе 1 закреплены две цилиндрические направляющие 8, по которым на шариках 6, находящихся в сепараторе 7, перемещаются две каретки 9 и 14. Верхние торцы каретки связаны плитой 5. Движение от гидроусилителя 10 через муфту И передается на шариковый винт 13 шариковинтовой передачи. Гайка 12 шариковинтовой передачи жестко связана с кареткой 14, что обеспечивает прямолинейное горизонтальное перемещение кареток 9, 14 и плиты 5. Зазор в приводе выбирают относительным смещением гаек шариковинтовой пары. Для обеспечения связи кинематики механизма поперечного сдвига с датчиком положения на каретках 9 и 14 закреплена рейка 4, с которой находится в зацеплении зубчатое колесо 2, связанное с датчиком положения 3.
На рис. 1.9 показан механизм перемещения руки в вертикальной плоскости [А. с. 522052, 629061 (СССР)]. Движение от гидроусилителя 3 через муфту передается на конические зубчатые колеса 4, 5. Зубчатое колесо 5 жестко связано с винтом 1 шариковинтовой 24
передачи. Винт /закреплен в конических подшипниках в корпусе 7 и связан с гайкой шариковинтовой передачи 10. С винтом 1 жестко соединено мелкомодульное зубчатое колесо 2, которое через разрезное зубчатое колесо 8 связывает кинематическую цепь привода с датчиком положения 9. Для компенсации кривизны траектории корпус 7 установлен на подшипниках в корпусе 6, закрепленном на проставке. В .корпус гайки перпендикулярно оси винта по посадке «6 входят два срезных штифта 11, которые крепят на вилке 14. Вилка 14 имеет цилиндрический хвостовик, который базируется в кронштейне 12 на шариках 15, заключенных в сепаратор 13.
Выбор зазора в приводе обеспечивается регулировкой зацепления конических колес 4, 5, двух гаек шариковинтовой пары, предварительным натягом шариков 15 в кронштейне 12.
На рис. 1.10 показан привод выдвижения кисти [А. с. №598750 (СССР)]. Движение гидроусилителя 1 передается через муфту 2, конические зубчатые колеса 3, 4 и вал 7, на котором жестко закреплено зубчатое колесо 8. Оно входит в зацепление с рейкой 9, один конец которой шарнирно связан с корпусом кисти, а другой — с шестигранными валами руки. Выбор зазора осуществляют за счет регулировки конических зубчатых колес 3, 4 и поджимом подпружиненным роликом 10 рейки к зубчатому колесу 8. Кон
структивно привод размещен в литом алюминиевом корпусе,который своим торцом закреплен на кронштейне крепления подшипников цапфы руки. Вал 7 проходит внутри кронштейна 15 (см. рис. 1.5), а его консольная часть базируется через подшипник в цапфе руки.
Датчик положения привода выдвижения кисти 12 установлен в передней части руки и связан с рейкой 9 через муфту 13 и разрезное подпружиненное зубчатое колесо И.
На рис. 1.11 показана кинематическая схема ориентирующих движений. Выбор зазора осуществляется благодаря закрутке
торсиона. Применение такой кинематической схемы обеспечивает качание кисти относительно оси /—/, вращение кисти относительно оси //—//, повышение крутящих моментов на исполнительном органе — кисти.
При вращении захвата движение передается от гидроусилителя / по двум кинематическим цепям. Первая цепь включает солнечное колесо 37 дифференциала, сателлиты 36, водило 33, планетарный редуктор 31, шариковую муфту 29,
Рис. 1.10. Привод выдвижения кисти
Рис. 1.11. Кинематическая схема ориентирующих движений
шестигранный вал 28, конические зубчатые колеса 27, 26, 25, 23. Коническое зубчатое колесо 23 жестко связано с приводом захвата 24 и осуществляет его поворот относительно оси //—//.
Вторая цепь включает зубчатое колесо 38, паразитные зубчатые колеса 3, 12, зубчатое колесо 10, коническое зубчатое колесо 9, сателлиты 8, водило 11, планетарный редуктор 13, шариковую муфту 14, шестигранный вал 17, конические зубчатые колеса 18, 21, 22, 23. Введение паразитных зубчатых колес 3, 21 и одинаковое передаточное число кинематических цепей обеспечивают валам 17 и 28 вращение с одинаковой скоростью в одном направлении, а тем самым вращение захвата относительно оси //—//.
При качании кисти движение от гидроусилителя 4 идет по двум кинематическим цепям. Первая цепь включает солнечное колесо 7 дифференциала, сателлиты 8, водило 11, планетарный редуктор 13, шариковую муфту 14, шестигранный вал 17, конические зубчатые колеса 18, 21. В состав второй кинематической цепи входят зубчатое колесо 6, паразитное зубчатое колесо 2, зубчатое колесо 34, коническое колесо 35, сателлиты 36, водило 33, планетарный редуктор 31, шариковая муфта 29, шестигранный вал 28, конические зубчатые колеса 27, 26. Введение паразитной шестерни 2 и одинаковое передаточное число кинематических цепей обеспечивают валам 17 и 28 вращение с одинаковой скоростью в противоположных направлениях, а тем самым качание кисти относительно оси /—/.
Для выбора зазора в передачах введена кинематическая цепь, состоящая из зубчатого сектора 20, жестко связанного с осью качания, конического колеса 19, шестигранного вала 16, шариковой муфты 15, планетарного редуктора 30, торсиона 32. Торсион через зубчатые колеса 3 и 38 связан с валом гидроусилителя 1, а через зубчатые колеса 9, 12, 10, сателлиты 8, солнечное колесо 7 — с валом гидроусилителя 4, осуществляет обратную связь от 26
исполнительного механизма к приводу. Общее передаточное число от вала гидроусилителя к оси качания кисти iK = 35. Общее передаточное число от вала гидроусилителя к оси поворота привода схвата ic = 24.
Для обеспечения связи кинематических цепей с датчиками положения на муфтах гидроусилителей нарезаны мелкомодульные зубчатые колеса, с которыми связаны двухступенчатые редукторы 5, 40. Выходные валы редукторов 5, 40 через муфты соединены с валами датчиков положения 39 типа ППМЛ. Выбор зазора в редукторах 5, 40 осуществляют с помощью разрезных подпружиненных зубчатых колес. Конструктивно приводы с передаточными механизмами установлены на корпусе руки, а передачу движения на шестигранные валы осуществляют с помощью шариковых муфт передачи крутящих моментов. Шарики в направляющих 6 (см. рис. 1.10) совершают перемещение по желобообразной дорожке. На каждой грани шестигранного вала имеется по одному рабочему ряду шариков. Шарики возвращаются по вкладышам 5, которые привернуты к направляющим. Шестигранный вал базируется в корпусе также на шариковых муфтах, конструкция которых аналогична описанной.
Гидросистема предназначена для питания энергией масляного потока гидравлических усилителей и привода цилиндра захвата, а также выполняет функции очистки и стабилизации теплового режима масла. В гидросистеме робота применен электрогидрав- лический следящий привод на базе гидроусилителей крутящего момента типа 2МГ18-2.
Гидросистема (рис. 1.12) снабжена двумя спаренными лопастными насосами /7 и 23, предохранительным клапаном 13, напорными гидрораспределителями 28 и 24, обратными клапанами 14 и 19, фильтром грубой 15 и тонкой 20 очистки, пневмогидравлическим аккумулятором 9, клапаном автоматической разгрузки 10, управляемым обратным клапаном 29, теплообменником 25, манометром 21, краном манометра 22 на шесть позиций, гидроусилителями 1 и 2.
Гидроцепь цилиндра захвата состоит из редукционного клапана 5, распределителя 4, гидроцилиндра 3, манометра 6 и крана манометра 7. Гидравлическая аппаратура цепи цилиндра захвата объединена в панель, которая установлена на руке. Функциональное назначение гидропанели — управлять рабЬтой цилиндра захвата, встроенного в кисть, и обеспечить регулировку силы захвата.
Основным узлом гидропривода робота является гидростанция, которая включает бак, насос, приводной электродвигатель,пневмогидравлический аккумулятор, фильтры, теплообменник и конт- рольно-регулирующую аппаратуру. Гидроаппаратура скомпонована на панели и установлена на верхней крышке бака гидростанции. Гидроусилители крутящих моментов установлены в узлах приводов механизмов, обеспечивающих движение манипулятора. Соединение узлов и элементов гидросистемы осуществляют 27
Рис. 1.12. Схема гидросистемы робота «Универсал-15.01»
посредством трубопроводов (гибкого и жесткого), шлангов и вращающихся коллекторов. Гидросистема робота имеет два режима работы: режим разгрузки (или режим холостого хода) и рабочий режим —режим работы гидроусилителей.
В режиме разгрузки масло, нагнетаемое насосами 17 и 23 через фильтр 15, обратный клапан 14, фильтр тонкой очистки 20, подводится к гидроусилителям 1 и 2, пневмогидравлическому аккумулятору 9, через редукционный клапан 5, распределитель 4 — к гидроцилиндру захвата 3 и по линии 8 — к клапану автоматической разгрузки 5. По достижении давления масла 637,6 X X 104 Па в линии пневмогидравлического аккумулятора 9 золотник клапана автоматической разгрузки 10 переместится в правое положение, и линия И, которая соединяет надгрибковую камеру предохранительного клапана 13 с клапаном 10 автоматической разгрузки, соединится с баком. С падением давления в надгрибковой камере предохранительного клапана 13 золотник клапана переместится в верхнее положение, и масляный поток от насосов 17 и 23 по линии 12 через диафрагму, линию 26, теплообменник 25 будет сливаться в бак. В этом режиме насосы 17 и 23 перекачивают масло через предохранительный клапан 13, диафрагму, теплообменник 25 в бак с давлением, равным (98,1—147,15) 104 Па, определяемым сопротивлением диафрагмы.
Минимальное давление масла в гидросистеме, равное (98,1 — 147,15) 104 Па, необходимо для поддержания в открытом положении управляемого обратного клапана 29,
28
В рабочем режиме пневмогидравлический аккумулятор питает маслом гидроусилители, поэтому давление масла перед гидроусилителями 1 и 2 в гидравлической камере аккумулятора ниже давления настройки клапана автоматической разгрузки 10. В этом случае разгрузка прекращается, предохранительный клапан перекрывает линию 12, и масло, нагнетаемое насосом 17, поступает к гидроусилителям.
По линии 18 от насоса 17 масло поступает в полость управления напорного гидрораспределителя 24 и открывает его, так как напорный гидрораспределитель 24 отрегулирован на давление масла ниже давления настройки предохранительного 13 клапана, равного 98, ЫО4 Па. При этом насос 23 работает в режиме холостого хода. Такая схема позволяет понизить потребляемую мощность, которая в данном случае полностью превращалась бы в тепловую энергию и затрачивалась на нагрев масла. По магистрали 27 масляный поток поступает в камеру управления управляемого обратного клапана 29 и поддерживает его открытым до включения электродвигателя 16.
При работе гидросистемы в режиме, когда давление перед гидроусилителями 1 и 2 падает ниже давления настройки напорного гидрораспределителя 28, последний закрывается, и масляный поток от насоса 23 через обратный клапан 19 смешивается с потоком от насоса 17. Суммарный поток масла нагнетается к гидроусилителям 1 и 2. Из гидроусилителей 1 и 2 отработанное масло через напорный гидрораспределитель 28, управляемый обратный клапан 29, теплообменник 25 сливается в бак. Регулировочным винтом напорного гидрораспределителя 28 можно отрегулировать давление подпора масла в сливных магистралях гидроусилителей 1 и 2. Подпор масла в пределах (19,6—29,4) 104 Па на сливе гидроусилителей необходим для обеспечения бесшумной и устойчивой работы при малых оборотах гидроусилителей.
При включении электромагнита распределителя 4 масло через редукционный клапан 5 и распределитель поступает в поршневую полость цилиндра захвата — происходит разжим; при обесточивании электромагнита —зажим. Необходимую силу зажима заготовки можно обеспечить редукционным клапаном 5, устанавливая давление в гидроцилиндре захвата по манометру 6.
При отключении электродвигателя 16 привода насосов 17 и 23 давление в линии 27 падает до нуля, и управляемый обратный клапан 29 перекрывает слив масла из гидроусилителей 1 и 2. В этом случае неуравновешенные массы механизмов манипулятора уравновешиваются давлением масляного столба в сливных магистралях, что предотвращает резкое падение неуравновешенных механизмов.
Гидросистема манипулятора снабжена системой подогрева и автоматикой для поддержания постоянной температуры масла. Для быстрого подогрева применяют теплонагреватели суммарной мощностью 7 кВт, которые способны нагреть масло в баке в течение
29
10 мин до рабочей температуры 388 К. Для поддержания постоянной температуры в баке используют тепловые реле типа ТР-100.
Воздушный теплообменник, предназначенный для охлаждения масла в гидросистеме, состоит из трех параллельно соединенных масляных радиаторов ЗИЛ-157 и осевого вентилятора с приводным электродвигателем. Для предохранения радиаторов от избыточного давления, которое не должно превышать 24,5-104 Па, теплообменник снабжен предохранительным клапаном. Теплообменник способен отвести 4,1 кДж/с тепла при перегреве масла на 30° сверх температуры окружающей среды и номинальном расходе масла.
Особенностью гидропривода робота является применение клапана автоматической разгрузки, который разгружает гидросистему, когда давление перед гидроусилителями поднимается выше давления его настройки, что обеспечивает высокий КПД гидросистемы.
Робот «Универсал-15.01» относится к роботам первого поколения, которые характеризуются тем, что работают по жесткому циклу, записанному при его обучении. Обучение производят по первому циклу путем последовательного проведения оператором исполнительного органа ПР по опорным точкам в определенной технологическими процессами последовательности. Запись цикла осуществляют путем кодирования информации о положениях руки, кисти, кодирования команд на технологическое оборудование, выдержек времени и команд зажим-разжим на штекерном барабане. Кадр записывается в двоично-десятичном коде. Запись положения руки и кисти производят путем балансировки задающих потенциометров памяти СПУ по миллиамперметру, находящемуся на панели управления.
При работе робота в автоматическом режиме разбаланс между положением задатчика и датчика подается на входы плат управления приводами. В зависимости от величины разбаланса происходит сдвиг фазы управляющего импульса, открывающего тиристоры усилителей. Тиристорные усилители, открываясь, подают напряжение на якорную обмотку задающих двигателей СЛ-369 приводов управления гидроусилителей. Двигатели, вращаясь, открывают щель золотника гидроусилителя, который при этом отслеживает задающее вращение двигателя и приводит во вращение кинематические цепи степеней подвижностей манипулятора. Движение происходит до тех пор, пока разбаланс между датчиком положения и задатчиком не будет равен нулю. При подходе к нулю усилитель привода подключает схему замедления скорости.
Разрешение на перевод барабана на следующую строку, а тем самым на продолжение цикла, дает блок нуль-органа, который, получая информацию от сравнивающих устройств усилителей приводов, датчиков, команд, замыкает реле пуска двигателей штекерного барабана. Барабан переводится в шаговом режиме на следующую строку. При переходе на следующую строку происходит подключение задатчиков и команд к усилителям приводов и 30
панели коммутации, и процесс движения манипулятора и обработки команд повторяется.
Опыт эксплуатации промышленного робота и отработка узлов показали, что для применения его в различных технологических условиях необходимо создать на его базе ряд модификаций.
Разработка модификаций робота «Универсал-15.01» проводилась в следующих направлениях: оснащение базовой модели робота специальными устройствами, позволяющими применять его для автоматизации таких технологических процессов, как горячая штамповка, контактная и дуговая сварка; повышение технических характеристик робота (точность позиционирования, быстродействие, объем памяти и т. д.); совершенствование конструкции робота, направленное на повышение надежности и технологичности изготовления. В табл. 1.1 приведены модификации робота «Универсал-15.01» и их принципиальные различия.
Робот «Универсал-15.02» состоит из манипулятора и системы программного управления. Робот может работать с двумя системами программного управления ПУР-2М и АПС-1. Размеры робота «Универсал-15.02» показаны на рис. 1.5. При работе с СПУ АПС-1 силовой преобразователь привода вынесен в отдельный блок, получивший наименование ЭПТ6-У15.
Робот «Универсал-15.02» имеет технические характеристики, приведенные в табл. 1.1.
При разработке робота добились резкого (в 4—5 раз) уменьшения трудоемкости изготовления манипулятора за счет совершенствования конструктивных решений, включая применение рациональных заготовок, уменьшения номенклатуры деталей и крепежа. Компоновка робота «Универсал-15.02» идентична компоновке робота «Универсал-15.01».
Большинство заготовок для деталей получено методами холодной и горячей штамповки, литьем по выплавляемым моделям, что обеспечивает минимум механической обработки. В узлы манипулятора (привод механизма поворота, механизмы качания, выдвижения руки, ориентирующих движений) введена жидкая смазка вместо консистентной. Значительно усовершенствована гидросистема робота и кисть, что позволило повысить надежность их работы и довести время работы робота на отказ до 300 ч.
Применение в качестве СПУ АПС-1 совместно с преобразователем привода ЭПТ6-У15 позволило наряду с увеличением памяти робота повысить жесткость и устойчивость привода.
В состав гидросистемы робота «Универсал-15.02» (рис. 1.13) входят насос 22, приводимый во вращение электродвигателем 21, предохранительный клапан 18, фильтр тонкой очистки 17, пневмогидравлический аккумулятор 5, клапан автоматической разгрузки 15, распределитель 16, управляемый обратный клапан 4, воздушный теплообменник 3, гидрораспределитель 12, включения манометра 8, 13, водяной теплообменник 1, включаемый через распределитель 2, а также гидроусилители 6, 7. В магистрали цилиндра
Рис. 1.13. Схема гидросистемы робота «Универсал-15.02»
захвата установлены редукционный клапан 11, распределитель 10, обратный клапан 9, гидрораспределитель включения манометра 8.
Гидравлическая аппаратура управления захвата объединена в панель 24, которая установлена на корпусе руки и одновременно является коллектором передачи энергоносителя к ней, а аппараты управления гидропривода на панели 23.
Гидросистема имеет три режима работы: разгрузки или холостого хода, рабочий, вспомогательный (для нагрева рабочей жидкости).
Работа гидросистемы в режиме разгрузки. В режиме разгрузки масло, подаваемое насосом 22, через фильтр 17 при давлении ниже настройки предохранительного клапана 18 подводится к гидроусилителям 6, 7, пневмогидравлическому аккумулятору 5, через редукционный клапан 11 и распределитель 10 — к гидроцилиндру схвата 25, а также к клапану автоматической разгрузки 15 и обратному управляемому клапану 4. По достижении давления 637,5-104 Па в линии пневмогидравлического аккумулятора 5 золотник клапана автоматической разгрузки 15 переместится в правое положение, соединив при этом управляющую полость предохранительного клапана 18 со сливной магистралью 14, что приведет к снижению давления в управляющей полости предохранительного клапана 18. Золотник предохранительного клапана откроется и соединит нагнетающую магистраль 20 насоса 22 со сливной магистралью 19. В этом режиме насос 22 перекачивает 32
масло через предохранительный клапан 18 с давлением (117,7— 176,6) 104 Па, определяемым гидравлическим сопротивлением диафрагмы клапана разгрузки 15. Это давление обусловлено необходимостью поддержания в открытом состоянии управляемого обратного клапана 4.
Режим работы гидроусилителей. В режиме работы гидроусилителей (при перемещении степеней подвижности манипулятора) пневмогидравлический аккумулятор 5 при давлении, несколько большем давления настройки автоматического клапана разгрузки, питает гидроусилители 6, 7.
^ При снижении давления ниже давления настройки клапана 15 его золотник отключает управляющую полость предохранительного клапана 18 от сливной магистрали 14, и масло от насоса 22 поступает к гидроусилителям 6, 7 и на подпитку гидропневмоаккумулятора 5. Масло из сливной полости гидроусилителей 6, 7 поступает через управляемый обратный клапан 4, открытый во время работы насоса 22, теплообменник 3 в бак.
При включении электромагнита гидрораспределителя 10 масло через редукционный клапан 11, настроенный на необходимую силу зажима, поступает в поршневую полость гидроцилиндра схвата 25. При этом происходит зажим. При обесточивании магнита распределителя 10 происходит разжим. Обратный клапан 9 обеспечивает подпор масла в штоковой полости гидроцилиндра схвата, что создает продолжительный зажим транспортируемой заготовки после отключения напряжения электрической сети. Для предотвращения резкого падения неуравновешенных масс манипулятора при аварийном выключении насоса 22 служит обратный управляемый клапан 4.
Вспомогательный режим. Гидроаппаратура, примененная в гидросистеме, может работать в диапазоне температур 283— 343 К, поэтому в гидросистеме предусмотрен прогрев масла за счет перехода энергии масляного потока в тепло. Для этой цели в управляющую магистраль предохранительного клапана 18 включен отсечной гидрораспределитель 16. При включении электромагнита гидрораспределителя 16 перекрывается подвод масла к клапану автоматической гидросистемы 15. При этом слив масла в бак происходит при давлении настройки предохранительного клапана (588,6 —637,6) 104 Па, и вся энергия масла переходит в тепло. Происходит интенсивный нагрев масла. При температуре масла 314 К система автоматики манипулятора отключает магнит гидрораспределителя 16, и работа гидросистемы происходит в одном из двух описанных ранее режимах.
Для поддержания рабочего интервала температуры масла 314—328 К использованы тепловое реле ТР-200 и терморегулятор ПТР-2-05. Через контакты теплового реле ТР-200 разрывается цепь питания электромагнита гидрораспределителя 16 и включается лампочка индикации на силовом электрошкафу манипулятора. При достижении температуры 328 К замыкаются контакты термо-
2 Шифрин Я. А. и др. 33
регулятора ПТР-2-05, что дает сигнал на включение контактора электродвигателя вентилятора воздушного теплообменника и на отключение электромагнита гидрораспределителя 2 водяного теплообменника. При температуре масла ниже 328 К электромагнит распределителя 2 включен, и доступ воды в водяной теплообменник прекращается.
На рис. 1.14 показана кисть робота [А. с. № 598749 (СССР)]. В ее конструкции устранены такие конструктивные недостатки, присущие кисти робота «Универсал-15.01», как выход из строя защитной ленты при попадании на нее стружки, сложность регулировки конических колес, большое число и масса перемещающихся деталей, значительная длина кисти. Это обеспечило повышение динамических качеств ориентирующих движений.
В разъемном литом корпусе 1 в стаканах 15, 17 установлены входные конические колеса 2, 16, 14. Вал 6 качания кисти расположен в подшипниках 9. На валу 6 на плавающих подшипниках установлены два блока конических колес 10, с которыми кинематически связано выходное зубчатое колесо 11 вращения кисти. В центральной части вала 6 имеется расточка, в которую помещен шток-поршень 12 привода схвата. Подвод масла осуществляется
по сверлениям в валу 6 от коллекторов 5, расположенных на концах вала и жестко связанных с корпуссм 1. Выходное зубчатое колесо 11 установлено на роликовых подшипниках, которые закреплены на крышке цилиндра 13. Пружинная стальная лента 7 закрывает проем в корпусе 1. В центральной части она имеет отверстие, которое закрывается резиновым уплотнением. Ленту крепят к кронштейну 8 и убирают в кожух 4. Регулировку необходимой длины ленты осуществляют поворотом валов 3, которые контрятся после окончания регулировки. Другие узлы идентичны описанным узлам робота «Универсал-15.01», однако детали, входящие в эти узлы, более технологичные.
Робот «Универсал-15.03» . Опытно-промышленная эксплуатация робота «Универсал-15.01» на автоматизированных участках горячей штамповки металлургических заводов потребовала доработки его узлов. Главными технологическими требованиями, которые были реализованы в конструкции робота, являются повышение быстродействия на 30—40 %; увеличение радиального хода руки до 1400 мм; оснащение привода схвата системой, обеспечивающей удержание горячей заготовки во время осадки; установка фотодатчика, контролирующего наличие горячей заготовки на исходной позиции транспортера; обеспечение нормального теплового режима гидросистемы в условиях повышенных температур; защита узлов в условиях повышенной запыленности от попадания горячей окалины.
Созданный при реализации указанных технических требований робот получил наименование «Универсал-15.03» (рис. 1.15).
₽НС. 1,15. Робот"]«Универсал-15.03» 2*
Рис. 1е16. Компоновка и рабочая зона робота «Универсал-15.03»
Компоновка и рабочая зона робота показаны на рис. 1.16. Техническая характеристика робота «Универсал-15.03» приведена в табл.1.1.
Компоновка и конструкция узлов манипулятора робота идентичны компоновке манипулятора робота «Универсал-15.01». Механизм поперечного сдвига 1 (рис. 1.16) повернут на 1,57 рад, и ось движения его кареток совпадает с осью направляющих руки. Это обеспечило увеличение радиального хода руки и кожухом механизма сдвига 4. Направляющие механизма
сдвига закрыты металлическими фартуками. На корпусе руки установлен на кронштейне фотодатчик 3. Для обеспечения охлаждения масла в бак вместо теплонагревателей встроен трубчатый теплообменник. Электроразводка кабелей заключена в металло- рукава. Панель управления схватом 2 обеспечивает удержание заготовки при ее осадке.
На рис. 1.17 показана схема привода схвата, обеспечивающая удержание его заготовки во время осадки. Необходимость такого привода диктуется несколькими причинами. Из-за неровностей на торцах заготовки от вибраций при штамповке ее вертикальная ось отклоняется на величину, превышающую в несколько раз допустимое значение. Оставление заготовки на площадке осадки увеличивает время цикла и снижает надежность правильного захвата заготовки. При осадке заготовки ее диаметр увеличивается в несколько раз за время, равное долям секунды. При этом сила схвата должна быть минимальной, а в приводе схвата должны быть устройства, предохраняющие его механическую часть от динамических нагрузок.
Зажим заготовки происходит под действием подачи масла под давлением 588,6-104 Па в штоковую полость цилиндра /. При этом электромагниты Э1, Э2 распределителей 4, 3 обесточены.
При движении ползуна пресса вниз от реле пресса включается электромагнит Э2. При этом магистраль давления заперта, штоковая полость цилиндра 1 соединяется со сливом, понижая силу
рис. 1.17. Схема привода схвата рукн робота
схвата до минимума. При прессовании под воздействием изменения формы заготовки поршень цилиндра 1 резко перемещается вправо. Поршневая полость цилиндра 1
пополняется маслом из ци
линдра 2, поршень которого занимает левое положение. При окончании прессования от, пресса поступает команда над включение зажима (Э2 выключается). Деталь зажимается под давлением 588,6 • 104 Па, и робот перемещает деталь в ручей штампа. Захват разжимается за счет подачи давления в штоковую полость цилиндра 1 и слива из поршневой полости. Это обеспечивается включением электромагнита Э1.
Робот «Универсал-15.04». Задачи совершенствования технологических возможностей робота в части увеличения точности до ±1 мм, памяти при многостаночном обслуживании, быстродействия, возможности работы с тарой и т. д. обусловили необходимость разработки ПР с большими технологическими возможностями, для которого была создана система программного управления УПМ-772. В манипуляторе была изменена измерительная система и введены кодовые датчики положения. Такая модификация получила наименование «Универсал-15.04» (рис. 1.18). Его
Рис. 1,18, Робот <Универсал-15.04»Рис. 1,18, Робот <Универсал-15.04»
Рис. 1,18, Робот <Универсал-15.04»
Рис. 1,18, Робот <Универсал-15.04»
компоновка и рабочая зона совпадают с компоновкой и рабочей зоной робота «Универсал-15.01» (см. рис. 1.5).
Робот «Универсал-15.04» имеет технические характеристики, приведенные в табл. 1.1. Учитывая высокие требования по точности, в качестве датчика был выбран пятнадцатиразрядный кодовый датчик.
Высокие требования по точности и устойчивости привода обеспечены тем, что при создании измерительной системы исключены из кинематической цепи к датчику зазоры и влияние недостаточной жесткости механической системы. Поэтому установка всех датчиков была максимально приближена к выходному валу гидроусилителя, что обеспечивает жесткую передачу без зазоров. На рис. 1.19 показана установка датчика на механизме поперечного сдвига, которая является унифицированной для всех координат робота.
Гидроусилитель 1 закреплен на корпусе 14. На валу гидроусилителя установлена муфта 15, состоящая из двух полумуфт и крестовины. На полумуфте, которая установлена на валу гидроусилителя, расположен шкив 16, передающий через зубчатый ремень 13 движение на приводной шкив 11, смонтированный на валу 10. Вал 10 установлен в подшипниках 9, которые находятся в промежуточном корпусе 8. Корпус 8 при помощи винтов закреплен на кронштейне 12. Для выбора мертвого хода в ременной передаче, в кронштейне 12 имеются пазы для винтов, ввинченных в корпус 8, что позволяет перемещать этот корпус относительно кронштейна 12. К торцу корпуса 8 прикреплен стакан 7, на который установлен кодовый датчик 5. Соединение вала датчика с валом 10 происходит при помощи муфты 6, состоящей из полумуфт 2, 17. На полумуфте 7 установлен штифт 3, который пластинчатой пружиной 4 прижимается к плоскости полумуфты 2. Такая конструкция позволяет исключить мертвые ходы в муфте.
Робот «Универсал-15.05» (рис. 1.20) предназначен для автоматизации технологических процессов дуговой сварки. Техническая характеристика робота приведена в табл. 1.1. В роботе были реализованы следующие технологические требования: число степеней подвижности — 6; точность обработки траектории ±0,5 мм; диапазон скоростей сварки 10-60 м/ч со стабильностью не ниже 38
чем +5 %; транспортная скорость 250 мм/с; основной тип выполненных швов — однопроходный или многопроходный валиковый шов в тавровых соединениях или соединениях внахлестку при толщине свариваемых соединений 2—10 мм; форма и пространственное положение шва — П-образный или замкнутый контур с плавными переходами; минимальный радиус переходов 5—7 мм; наклон плоскости шва — до 1,29 рад к горизонтальной плоскости; метод сварки — сварка плавящимся электродом в среде углекислого газа; положение сварочной горелки относительно свариваемых элементов — по биссектрисе угла свариваемых элементов с отклонением от номинального положения 0,322 рад; сварочная головка имеет устройство для поперечных колебаний электрода с регулируемой амплитудой 0—8 мм и регулируемой частотой колебаний 0—15 Гц.
В качестве базовой модели при создании робота «Универсал-15.05» был принят робот «Универсал-15.04». По сравнению с базовой моделью произведены следующие изменения: уменьшены максимальная скорость движения в 4 раза и диапазон перемещения руки с 21,9 до 1,29 рад.
Уменьшение максимальных скоростей движения достигнуто за счет увеличения передаточного отношения в приводах управления гидроусилителей, что обеспечило работу управляющих электродвигателей в достаточно устойчивом диапазоне оборотов. Уменьшение диапазона движения руки по повороту вызвано тем, что сварка деталей производится в основном при угле поворота не более 1,2 рад, что позволило существенно увеличить точность по этой
Рис. 1.20. Промышленный робот «Универсал-15.05»
Рис. 1.21. Компоновка и рабочая зона робота «Универсал-60.01*
координате. На выходной фланец кисти установлена горелка с механизмом колебания электрода. Механизм колебания электрода позволяет осуществлять перемещения электрода перпендикулярно оси руки с частотой 0—15 Гц при амплитуде до 5 мм. На корпусе руки установлен механизм подачи электрода, связанный с горелкой гибким шлангом. Механизм обеспечивает подачу электродной проволоки с регулируемой скоростью 28—165 мм/с.
Робот «Универсал-60.01» предназначен для обеспечения межстаночного транспортирования деталей и заготовок массой до 60 кг. Техническая характеристика робота «Универсал-60.01» приведена в табл. 1.1, а его компоновка и рабочая зона — на рис. 1.21. Компоновка манипулятора робота идентична компоновке робота «Универсал-15.01»; гидростанция, механизм поворота, приводы поворота, механизм поперечного сдвига, проставок являются унифицированными с роботом «Универсал-15.01». Механизм перемещения руки робота в вертикальной плоскости по сравнению с роботом «Универсал-15.01» усилен (увеличены диаметр винта 40
шариковинтовой передачи с 40 до 60 мм, поперечные размеры шарнира крепления корпуса гайки шариковинтовой передачи).
Кинематическая схема ориентирующих движений робота идентична кинематической схеме робота «Универсал-15.01»,за исключением того, что вместо планетарных редукторов применены цилиндрические прямозубые редукторы, увеличено передаточное число кинематических цепей (передаточное число на качание кисти / = 44, передаточное число на вращение кисти i„ = 39), передающие связи к кисти выполнены в виде квадратных валов и не являются несущими. На рис. 1.22 показано конструктивное исполнение руки робота.
В корпусе 1 установлена каретка 2 корытообразной формы, к переднему торцу которой прифланцована кисть 5 с расположенным на выходном ее фланце захватом 4. Каретка 2 сбазирована в корпусе руки следующим образом. Передняя опора показана на разрезе Л—Л. Нижняя база каретки опирается на шейки вала, который закреплен в расточках корпуса 1 на подшипниках 5. Верхняя база каретки опирается на два ролика, зафиксированных через подшипники на оси 6. Ось 6 закреплена в вилке 7, которая находится в расточке каретки корпуса /. Выбор зазора осуществляется при помощи компенсатора 8. Задняя опора каретки показана на разрезе Б—Б . Нижняя база каретки 2 установлена на двух роликах 9, которые закреплены через радиальные подшипники на
Phq. 1.22. Рука робота « Универсал-60.М »^
осях 10, зафиксированных в расточках корпуса /. Верхняя база каретки 2 установлена на шейках вала 11, закрепленного через радиальные подшипники в стаканах 12, имеющих эксцентриситет, при помощи которого выбирается зазор. В боковом направлении каретка 2 фиксируется при помощи четырех опор качения, которые закреплены в корпусе /.
На корпусе / установлены механизмы ориентирующих движений, состоящие из приводных гидроусилителей 2МП8-22 13, которые прифланцованы к дифференциальному редуктору 14. Дифференциальный редуктор 14 через муфту связан с переходным редуктором 15, нижняя часть которого входит вместе с установленными в ней шариковыми муфтами передачи крутящего момента и квадратными валами, передающими движение к кисти, внутрь каретки 2. Шариковые муфты передачи крутящего момента но конструкции идентичны муфтам робота «Универсал-15.01». К боковым стенкам корпуса 1 прикреплены цапфы 16, 17, которые через подшипники 18 установлены в кронштейне 19, закрепляемом на верхнем торце проставка. В корпусе 1 имеется расточка, в которой расположена втулка 20 для крепления шарнира вилки механизма качания руки 21.
На разрезе В—В показано устройство затяжки торсиона. Левая сторона торсиона 22 с помощью квадрата соединяется со средним валом дифференциального редуктора 23, а правая с помощью квадрата и гаек с правой 24 и левой 25 резьбами замыкается на вал 26 переходного редуктора. Для увеличения жесткости кинематической цепи и уменьшения вредного влияния торсиона на левом конце вала 26 имеется конус, который натяжением гайки 27 муфты 28 после выбора зазора при помощи торсиона исключает его из кинематической цепи, заменяя более жестким валом 26.
На разрезе Д—Д показан механизм выдвижения кисти, предназначенный для сообщения прямолинейного движения исполнительному органу руки—кисти. Движение от гидроусилителя 35, муфту, конические зубчатые колеса 28, 29 передается на выходной вал 30, который передает движение на два соосно расположенных зубчатых колеса 31, 32, находящихся в зацеплении с рейкой 33, установленной на нижней плоскости каретки руки. Внутри выходного вала расположен торсион 34, который одним своим концом связан с зубчатым колесом 32, а другим с втулкой 36. Втулка 36 имеет два радиально запрессованных пальца 37, которые контактируют с наклонными пазами стакана 38, связанного при помощи штифта 39 с выходным валом 30. Торец втулки 36 контактирует с толкателем 40, который связан со стаканом 38 по резьбе. Торсион служит для выбора люфта в зацеплении. Выбор люфта осуществляется нажатием толкателя 40 на втулку 36, которая, перемещаясь, поворачивает торсион 34. Винт 41 служит для контровки торсиона в заданном положении. Датчик положения установлен^на нижнюю плоскость корпуса руки.
Рис. 1.23. Кисть робота «Универсал-60.01»Рис. 1.23. Кисть робота «Универсал-60.01»и-ии-и
Рис. 1.23. Кисть робота «Универсал-60.01»
Рис. 1.23. Кисть робота «Универсал-60.01»
и-и
и-и
На рис. 1.23 показана кисть |А. с. № 621572 (СССР)], которая предназначена для обеспечения перемещения захвата в двух взаимно перпендикулярных направлениях и смены захвата в автоматическом режиме.
В разъемном алюминиевом корпусе 1 помещены три входных конических зубчатых колеса 2, 5, 4. Зубчатые колеса 2, 4 передают движения на блоки зубчатых колес 6, 23, установленные на валу 24 качания кисти. Вал 24 установлен в корпусе / на подшипниках 25. В центральной части вала 24 имеется расточка, в которую помещен поршень 26 гидроцилиндра привода захвата. Подвод энергоносителя к цилиндру осуществляется по отверстиям в вале 24 и в коллекторах 5, одновременно служащими крышками, фиксирующими вал 24 в осевом направлении. К переднему торцу вала 24 прикреплена крышка 7, имеющая уплотнения для штока поршня 26. На крышке 7 на комических роликовых подшипниках 8 установлено зубчатое колесо 22, связанное с блоками зубчатых колес 6, 23. К торцу зубчатого колеса 22 привернут фланец 21 сменных захватов, которые могут устанавливаться на него в автоматическом режиме.
Закрепление захвата на выходном фланце 21 происходит следующим образом. Шлицеобразные выступы фланца 21 входят во впадины пояска обоймы 20 захвата. Центрирование захвата обеспечивают штыри 10, запрессованные во фланец 21, которые заходят в отверстие корпуса //. После этого оланец 21 поворачивают ио программе на 0,785 рад (45°) относительно обоймы 20. Обойма 20 фиксируется в таре штифтом 9. Прижим схвата к фланцу 21 осуществляется пружинами 18, действующими на толкатель 19. Зажим заготовки в захвате обеспечивается действием штока поршня 26 на толкатель 15, имеющий пазы, в которых шарнирно закреплены серьги 12, 13, шарнирно соединенные с вилками 14, 17.
Рис. 1.24. Робот «Универсал-60.02>
Сила, передаваемая штоком поршня через рычажную систему, обеспечивает параллельное движение губок 16 и зажим заготовки" Одновременно реактивная сила, возникающая между обоймой 20 и фланцем 21, обеспечивает надежное соединение захвата с кистью.
Робот для контактной точечной сварки «Универсал-60.02» . Необходимость разработки специализированного робота для контактной точечной сварки определялась несколькими причинами. Применяемые для автоматизации контактной точечной сварки многоэлектродные машины не допускают быстрой переналадки при переходе с одного изделия на другое.
Труд сварщика, управляющего вручную сварочным пистолетом, требует больших затрат мускульной энергии, концентрации внимания, что делает его тяжелым, а наличие неблагоприятной для здоровья человека среды — вредным.
Анализ технологических процессов контактной сварки в отрасли выявил необходимость внедрения более 200 роботов, что позволит подойти к решению комплексной автоматизации этого процесса. Основные технические требования к ПР для контактной точечной сварки следующие:
Число степеней подвижности . ... Не менее 6 при трехстепенной кисти ГрузоподъемностьНеменее 40 кг
Точность позиционирования±1 мм
44
Скорости перемещенийНе менее 50 мм за 0,5 с/ 500 мм за 2 с,
1000 мм за 3 с
ОбучениеПутемнеоднократного выполнения про
граммы при поломке ручного пульта
Наличие памяти системы программно- С 200—1000 точками позиционирования го управления
Робот для контактной сварки, получивший наименование «Универсал-60.02», показан на рис. 1.24, а его компоновка и рабочая зона на рис. 1.25. В состав робота'входят манипулятор, устройство программного управления УПМ-772, блок усилителей привода, блок включения питания, сварочное оборудование. Сварочное оборудование состоит из шкафа управления, трансформатора, кабелей, клещей. Технические характеристики робота «Универсал-60.02» приведены в табл. 1.1.
Высокие технические требования к жесткости механической системы и к высокой надежности его узлов были обеспечены тем, что манипулятор был создан на базе манипулятора «Универ- сал-60.01». Основные узлы манипулятора: гидростанция, механизм поворота, механизм поперечного сдвига, проставок, рука, механизм выдвижения кисти являются унифицированными с роботом «Универсал-60.01».
Конструкция измерительной системы и системы автоматики унифицирована с роботом «Универсал-15.04».
К приводу робота для контактной сварки предъявляют повышенные требования в отношении точности и быстродействия. Это связано с особенностями технологического процесса точечной сварки, специфика которого заключается в пошаговом перемещении и точном позиционировании сварочных клещей вдоль свариваемого контура. При этом требуется осуществлять до 60 перемещений в минуту рабочих органов манипулятора при точности + 1 мм.
Основной задачей привода является обеспечение малых перемещений с высоким быстродействием. Средняя величина этих перемещений 40—50 мм. Время отработки одного перемещения не должно превышать 0,3—0,5 с. Этими величинами определяются требования к динамическим характеристикам следящего привода и к качеству переходных процессов отработки перемещений.
Задача создания привода с требуемыми характеристиками решена на основе использования цифрового устройства управления УПМ-772, кодовых датчиков положения с разрешающей способностью 215 и следящих гидрораспределителей, использованных в качестве управляющих элементов для гидродвигателей манипулятора.
Силовой привод координат робота, кроме третьей степени кисти (вращение клещей), состоит из гидромотора и следящего гидрораспределителя типа сопло-заслонка. Следящие гидрорас- 45
комком446 . _ 665 _ , 3,29раа 0,Мра-^ 6,28ра8446 . _ 665 _ , 3,29раа 0,Мра-^ 6,28ра8
ком
ком
446 . _ 665 _ , 3,29раа 0,Мра-^ 6,28ра8
446 . _ 665 _ , 3,29раа 0,Мра-^ 6,28ра8
Рис. 1.25. Компоновка и рабочие зоны робота «Уиивер- сал-60.02»
пределители при- фланцованы к гидродвигателям через панели, в которых имеются сдвоенные клапаны, предохраняющие гидромотор от перегрузок при рез- закрытии гидрораспре-
делителя.
Для связи устройства программного управления с сервозолотниками служит блок усилителей привода, блок- схема которого показана на рис. 1.26.
Блок усилителей осуществляет усиление сигнала
управления по мощности, нелинейную коррекцию сигнала управления, подачу осцилляции на гидрораспределитель, стабилизацию по скорости, световую индикацию отработки управляющей программы по координатам.
Техническая характеристика блока усилителей
Число координат 7
Максимальная величина управляющего напряжения, В . .6
Номинальное входное сопротивление,кОм 10
Номинальная сила тока на выходе,мА 60
Потребляемая мощность, Вт 50
Блок усилителей включает в себя источник питания, усилитель, схему дешифрации признаков СДП, схему стабилизации ползучей скорости ССПС, генератор опорной частоты ГОЧ.
В режиме обучения блок усилителей выполняет функцию усиления сигнала управления и подачи осцилляции на гидрораспределитель. В режиме автоматической работы из-за недостаточной чувствительности гидромеханической системы рабочий орган не отрабатывает малых сигналов управления, поэтому в автоматическом режиме применяют нелинейную коррекцию сигнала. Для этого используют признаки движения и направления, выдаваемые СПУ.
Дешифрация этих признаков осуществляется схемой дешифрации, расположенной на плате входной логики. Сигнал с СДП поступает на ССПС, расположенную на плате стабилизации, 46
рис. 1.26. Блок-схема привода
где формируется величина начальной установки. Обратная связь по скорости в блоке усилителей БУ организуется следующим образом. В зависимости от скорости перемещения рабочего органа меняется частота смены значения (0 или 1) младшего разряда кодового датчика. Эта частота модулирует начальную установку по ширине, и модулированный сигнал с ССПС поступает на вход одновременно для подачи осцилляции
усилителя. ГОЧ служит и обеспечения работы и осцилляция регули-усилителя. ГОЧ служит и обеспечения работы и осцилляция регули-ССПС. Уровни начальной установки руют потенциометрами, расположенными на платах стабилизации. В каждом канале БУ имеют подстроечные потенциометры для установки нуля и регулирования коэффициента усиления и глубины обратной связи ОС по тону. На плате входной логики выведены семь индикаторных ламп для контроля функцио
усилителя. ГОЧ служит и обеспечения работы и осцилляция регули-
усилителя. ГОЧ служит и обеспечения работы и осцилляция регули-
нирования комплекса.
Рис. 1.27. Редуктор трехстепенной кистиРис. 1.27. Редуктор трехстепенной кистиНа рис. 1.27 показана трехстепенная кисть, которая предназначена для обеспечения сварочному инструменту (клещам) движения в трех взаимно перпендикулярных направлениях. Движение от входных конических колес / передается на блоки конических зубчатых колес 2, установленных на подшипниках 3 на оси качания кисти 4. В центре оси качания 4 имеется расточка, в которой расположен коллектор 5 передачи энергоносителя к приводу вращения клещей. На нем на подшипниках качения 7 установлено входное зубчатое колесо кисти 6. Зубчатые колеса испол-
Рис. 1.27. Редуктор трехстепенной кисти
Рис. 1.27. Редуктор трехстепенной кисти
нительного механизма кисти установлены в разъемном корпусе 9. Для предотвращения от попадания внутрь кисти пыли щель корпуса закрыта двумя шторками 8, выполненными из пружинной ленты. На фланец 10 выходного зубчатого колеса установлена третья степень кисти, состоящая из квадранта 18, датчика положения 16, шарнира 11, на торце которого закрепляют сварочные клещи.
С шарниром И жестко связан шкив 17, который через зубчатый ремень 12 передает движение шкиву 13, закрепленному на валу 14. Вал 14 закреплен в подшипниках, находящихся в корпусе 15, и связан с датчиком положения через муфту, исключающую наличие мертвого хода. Фланец 10 выходного зубчатого колеса унифицирован с фланцем шарнира И, что обеспечивает возможность крепления клещей непосредственно на фланец 10. Такая кисть имеет две степени подвижности, а робот — шесть.
1.3. РОБОТ МОДУЛЬНОГО ТИПА РПМ-25
Широкое распространение получили разработки модульных роботов, т. е. роботов, представляющих собой совокупность, систему конструктивных модулей. Под конструктивным модулем понимают функционально и конструктивно независимую единицу, которую можно использовать индивидуально и в различных комбинациях с другими модулями. Каждый модуль — это законченный машинный агрегат, содержащий как обычные приводные средства и механизмы, так и энергетические и информационные коммуникации, обеспечивающие одну или несколько степеней подвижности робота.
На рис. 1.28 показана система модулей робота РПМ-25, которая включает два модуля межпозиционных перемещений, шесть модулей, осуществляющих движения переноса, и три модуля ориентирующих движений. Кроме этих основных модулей, в систему входят операционные механизмы, а также модуль неподвижного основания. В число модулей межпозиционных перемещений входят два модуля подвижного основания: в напольном Т и в подвесном Тм исполнении. Модули движений переноса включают в себя три однокоординатных модуля прямолинейных перемещений, два однокоординатных модуля вращательных перемещений и один двухкоординатный модуль — модуль двойного качания. Модули прямолинейных перемещений представлены модулем поперечного сдвига С, который может устанавливаться либо на модуль поворота, либо на модуль неподвижного основания; модулем подъема П, который может устанавливаться на модули неподвижного и подвижного (напольный вариант) оснований, на модули поперечного сдвига и поворота; модулем радиального хода РХ, служащим для прямолинейного перемещения руки робота, который может устанавливаться на все упомянутые ранее модули.
Комбинация из трех модулей позволяет получить компоновку
прямолинейного перемещенияробота РПМ-25, работающегопрямолинейного перемещенияробота РПМ-25, работающегов декартовых координатах.
прямолинейного перемещенияробота РПМ-25, работающего
прямолинейного перемещенияробота РПМ-25, работающего
Однокоординатные модули вращательных движений включают в себя: модуль поворота В, осуществляющий поворот относительно вертикальной оси (он может устанавливаться на модули неподвижного и подвижного оснований и модуль С) и модуль качания К, осуществляющий поворот относительно горизонтальной оси (он может устанавливаться на модули неподвижного и подвижного оснований (оба варианта), модули С и В).
Двухкоординатный модуль двойного качания Д предназначен для создания компоновок робота с антропоморфной шарнирной структурой. Он может устанавливаться на модули неподвижного и подвижного оснований, модули С и В.
Модули ориентирующих движений представлены тремя видами РУк: с одной Рх, двумя. Рг и тремя. Ра степенями подвижности.
49
Все эти руки имеют унифицированные посадочные места, которые стыкуются с модулями Д и РХ. Кроме того, модули Р^, Рг, Р3 посредством специальных переходников могут устанавливаться на модули К, В, П, С, Т и Тм.
Кроме перечисленных выше одиннадцати основных модулей, система включает вспомогательные модули, к которым относится неподвижное основание с системой подготовки воздуха Н и три модуля операционных механизмов, включающих в себя одинарный Зг и двойной Зг захваты, а также захват с поперечным сдвигом ЗС. Модули операционных механизмов стыкуются непосредственно с конечными звеньями модулей Ръ Р^ и Р3.
Привод основных движений робота РПМ-25 — электрический, постоянного тока, следящий, с обратной связью по положению и по скорости. В качестве исполнительных двигателей используют электродвигатели постоянного тока МИ2 мощностью 2 кВт и 4МИ12 мощностью 980 Вт. Тиристорное преобразовательное устройство ЭПТ-9М расположено в отдельной от манипулятора стойке. Привод операционных механизмов — пневматический. Подвод воздуха под давлением осуществляется через стыковочные поверхности модулей.
Промышленный робот РПМ-25 выпускается с двумя типами позиционных систем программного управления: аналоговой АПС-1 и числовой УПМ-772. В первом случае модули основных движений оснащают аналоговыми датчиками обратной связи по положению — многооборотными потенциометрами ППМЛ. Во втором случае используют кодовые 15-р азрядные датчики обратной связи.
Технические характеристики модулей основных движений приведены в табл. 1.2.
Компоновка модульного робота содержит от одного до шести основных модулей. В такой компоновке может быть до восьми независимых приводов. В соответствии с этим каждый модуль имеет входные и выходные элементы электрических разъемов, в каждом из которых находятся восемь условных групп контактов (по одной группе на каждый привод робота). Приводам даны порядковые номера, и они соединяются с соответствующими по номерам группами контактов входного элемента электрического разъема. Номера приводов модуля двойного качания дублируют номера приводов модулей качания и радиального хода. Это означает, что модуль двойного качания не может быть применен в одной компоновке с модулями качания и радиального хода. Дублируются также номера приводов модулей Т, Тм и С. В каждом модуле контакты входного элемента разъема, не связанные с приводами данного модуля, связаны с помощью гибкого электрического кабеля с соответствующими контактами выходного элемента разъема и, таким образом, служат для передачи энергии и информации к последующим модулям. Такая система разъемов позволяет подключать к системе управления любой из десяти ос- 50
св
aSSXVЯ
№ S X я
о сх X X о
§■ X
о с
я
х 3 х
S
5
св
X
S X
3 s g S
О Е
2
»5 gg
Wed е0№
сч
Wed сО1н=
сч
и«н ‘эУохнн вн
I нэи он и 14 н Hire НИИ он
5 S-” о а
О S о
Я s
у с
э/и
1
1^1 1 N 1
1
o/tfed
t-, , —. iD iD b^iD о ' -^oci-^co
b~ iD
-—co
of
Я X к
gs о
X &s с
И
‘dHHlftf 0U
15 ill 1 1
Wed ‘eiodoaou XitjK он
Ю 1 1
uO 00
© i О CO -^
^ 1 —Г—Г© CO О
co" co
CD
1
И«Н *эУоХ1ЧЯ вн
В1ГМЭ КВНЧк’ВИИИОН
я
о
я
6 к
я о
к
CO
2 я
о
T
о я
о я
о я
о я
я
о я , я
Ff
X
я
S'
M
се \О я
3 св
се я
се \О я
в се
К
CQ
cu m
«
о
«
I
ОРЗ
Я
Ч
2
2
X
S X X
се
о о
се Ft
X
о
я
Я 43
я я я се я се я
о
Ft С
Я
Ft к
0)
Ft с 2 я я
0)
6 я
S 4
Й о с о
о s 5 о А « я 5 с ООО я с с
Я Ч
§ Я
91 ^
Я CL
я »я о я . Ft
я S
я
aS
Я Ft о
^ м
яо о
ч ч 5
ч ч
ч
и g
о
S о
й Kt е( е( е(
: ч:
8 2
о о о О о о
SS^^S^
CU я
Си Я
си
‘ Я Р я и
О X
я я
я А ч о е
л и о
я %
Рис. 1.29. Графы вариантов компоновок робота РПМ-25
новных модулей одним и тем же соединительным кабелем, а также соединять между собой модули в любом порядке без проведения каких-либо дополнительных работ, кроме сочленения стыковочных поверхностей и электрических разъемов.
На рис. 1.29 показаны возможные варианты соединения модулей в виде трех деревьев, в основании которых находятся'модули Н, Т и 7М. Эти деревья содержат всего 50 вариантов компоновок, причем модули рук учитываются одним элементом Р. При учете возможности применения разных модулей рук число вариантов возрастает до 150. На рис. 1.30 показаны примеры различных компоновок робота РПМ-25.
Рассмотрим конструктивные особенности модулей. Модули прямолинейных перемещений С, П и РХ (см. рис. 1.28) выполнены на основе планетарных роликовых винтовых передач качения [6, 39], преимуществами которых по сравнению с шариковинтовыми передачами являются более высокая жесткость и несущая способность, а также возможность работы с более высокой частотой вращения, что существенно для роботов с электроприво- 52
дом. В качестве направляющих в модулях С и П применены цилиндрические скалки с шариковыми сепараторами, аналогичные применяемым в механизме 'сдвига робота «Универсал-15.01». В модуле РХ применяются направляющие ролики, закрепленные в базовом корпусе, по которым перемещается подвижное звено модуля, выполненное из стандартного прокатного уголка. Этим достигается компактность и легкость конструкции модуля. В модуле П для частичного уравновешивания нагрузки используется установленный вертикально телескопический пневмоцилиндр. В целях предотвращения аварийных ситуаций при отключении привода, а также для облегчения процесса обучения робота в модулях П и РХ применены механические самотормозящие муфты дискового типа. В модулях, обеспечивающих вращательные движения, а также в модулях Т и Тм использованы комбинированные червячно-зубчатые редукторы.
Первая ступень редуктора (червячная) обеспечивает такие положительные качества, как бесшумность работы при высоких оборотах двигателя; возможность самоторможения в случаях, когда это необходимо; возможность получения модификаций робота для специального применения (например, для дуговой сварки) с повышенным передаточным числом за счет изменения числа заходов червяка. Так, например, в основном исполнении модулей В и Р применяют четырехзаходные червяки. Те же модули,
Рис/1.30. Примеры компоновок робота РПМ-25:
а — компоновка
Н—С—В—П—РХ—Р3 — 51;
б — компоновка Тм — РХ—
Рг—32; в — компоновка
Н-В-С-К-РХ-Рз-Зг, г — компоновка робота для дуговой сварки Н — П — РХ—Р3 н координатный стол для закрепления свариваемой детали С—В; д — компоновка Н— В — РХ—Pt— ЗС
Рис. 1.31. Кинематическая схема модуля двойного качания
предназначенные для использования в роботах для дуговой сварки имеют однозаходные червяки, что в 4 раза повышает передаточное число без каких- либо изменений конструкции модуля и тем самым позволяет значительно повысить точность отработки траектории исполнительным механизмом робота.
Вторая часть редуктора (зубчатая) выполняется безлюфто- вой, при этом используется принцип замкнутого энергетического потока. Передаточное число редуктора выбирают таким, чтобы максимальный люфт
в червячной передаче, приведенный к исполнительному звену, не превышал бы величины, соответствующей одной дискрете используемого датчика обратной связи, и таким образом не влиял бы существенно на точность работы. Замкнутый цилиндрический редуктор модуля В принципиально не отличается
от используемого в механизме поворота робота «Универсал-15.01». Червячно-цилиндрический редуктор модуля В использован также в модулях Т и Тм. В этом случае его выходом является не зубчатое колесо большого диаметра (как в модуле В), а рейка длиной до 10 м, закрепленная на неподвижных направляющих модулей.
На рис. 1.31 показана кинематическая схема модуля двойного качания Д. Две степени подвижности модуля имеют индивидуальный привод от двигателей 1, непосредственно связанных с червяками однозаходных червячных передач 2, обеспечивающих самоторможение приводов. Вторая ступень редуктора представляет собой дифференциальную зубчатую передачу с замкнутым энергетическим потоком с двумя степенями подвижности [А. с. № 656827 (СССР)]. Передача содержит два дифференциала, один из которых (исходный) имеет в качестве основных звеньев зубчатые колеса 9 и 8, связанные между собой рядом зубчатых и рычажных передач, в который входит и второе исполнительное звено 6 модуля. Водилом этого дифференциала служит первое исполнительное звено 7. Для образования замкнутой передачи введен второй дифференциал 10, основные звенья которого связаны зубчатыми передачами с соответствующими основными звеньями исходного дифференциала. Выбор люфтов осуществляется путем создания предварительного натяга в передаче с помощью торсиона 4 и муфты 3.
рис. 1.32. Кинематические схемы модулей руки;а — с тремя степенями подвижнорис. 1.32. Кинематические схемы модулей руки;а — с тремя степенями подвижности Р3; б — с двумя степенями под
рис. 1.32. Кинематические схемы модулей руки;
а — с тремя степенями подвижно
рис. 1.32. Кинематические схемы модулей руки;
а — с тремя степенями подвижно
вижности Р2; в — с одной степенью подвижности Pt; 1 — двигатель с червячной передачей; 2 — дифференциальный блок; 3 — торсион для выбора зазора; 4 — коаксиальные валы; 5 — ориентирующая головка
Кинематические связи в модуле Д подобраны таким образом, что при работе двигателя качания первого исполнительного звена (второй двигатель заторможен) второе исполнительное звено совершает поступательное движение (не меняет своей ориентации).
Для того чтобы разгрузить привод качания первого исполнительного звена от действия больших статических моментов, возникающих от массы перемещаемых звеньев, применен торсион 5, позволяющий с достаточной точностью уравновесить статические моменты на оси вращения звена 7. Для уменьшения длины тор- сиона и тем самым уменьшения габарита модуля применена понижающая передача //, связывающая торсион с исполнительным звеном [А. с. № 737207 (СССР)].
На рис. 1.32 показаны кинематические схемы модулей Рх, Рг и Р3. Модуль Р3 представляет собой механизм руки с тремя степенями подвижности. Привод каждой из них осуществляется с помощью двигателя 4МИ12ФЗ, жестко связанного с червяком четырехзаходной червячной передачи.
Связь червячных шестерен с исполнительными звеньями модуля осуществляется с помощью сложной дифференциальной передачи с тремя степенями подвижности с замкнутым энергетическим потоком. Этот механизм обеспечивает не только безлюфто- вую передачу движения, но и кинематическую развязку движений, благодаря которой каждый двигатель осуществляет перемещение только соответствующего ему исполнительного звена [А. с. № 707793 (СССР)].
Модуль Р2 получен путем исключения из модуля Р3 нескольких конструктивных блоков и представляет собой упрощенный вариант той же руки, но с двумя степенями подвижности.
Г л а в a
ПРОМЫШЛЕННЫЕ РОБОТЫ С ЦИКЛОВОЙ СИСТЕМОЙ
ПРОГРАММНОГО УПРАВЛЕНИЯ
ПРИНЦИПЫ ПОСТРОЕНИЯ, ОСОБЕННОСТИ
Наибольшее распространение при автоматизации технологических процессов в отечественной промышленности получили ПР с цикловой СПУ. Цикловые СПУ позволяют программировать только последовательность действий ПР и технологического оборудования, входящих в состав РТК. При этом величины перемещений рабочих органов (схватов) манипуляторов задаются жесткими, в большинстве случаев переналаживаемыми упорами.
Области применения ПР с цикловой СПУ — холодная листовая и горячая объемная штамповка, механообработка, литье под давлением, ряд других видов производств, связанных с загрузкой- выгрузкой как основного, так и вспомогательного технологического оборудования. В основном это машины специального и специализированного применения.
Имея ограниченные технологические возможности, ПР с цикловой СПУ наряду с высоким быстродействием и точностью позиционирования обладают рядом других положительных качеств, таких как относительно низкая стоимость, простота конструкции, высокая надежность; простота конструкции создает предпосылки надежной работы и удобства технического обслуживания при эксплуатации. К недостаткам таких машин можно отнести необходимость применения при организации РТК конструктивно сложных и трудоемких при изготовлении подающих и приемнопередающих устройств, которые должны обеспечивать ориентированную подачу заготовок или полуфабрикатов для их захвата ПР.
К настоящему времени разработано несколько десятков как отечественных (МП-9С, РФ-201, РФ-202М, «Стрела», Р-02-2, ПР-5, ПР-10, «Бриг», «Гном», «Циклон», «Ритм» и т. д.), так и зарубежных (Aida Autohand, Fuji Press Hand, Hi Mate, серии SMT и SR, Hibot, Almart, Rocs, MHU и т. д.) промышленных роботов с цикловой СПУ.
Очевидно, что при разработке конкретной модели ПР должны анализироваться структура и параметры его составных частей — механической системы (манипулятора), систем привода и управления ПР. Конструкция разрабатываемого ПР должна удовлет-
ворять условиям сопряжения ПР с технологическим оборудованием РТК по кинематической структуре, грузоподъемности, точности, размерным, динамическим и информационным параметрам; условиям обеспечения требуемых характеристик производительности, надежности, эксплуатационных^ и экономических показателей РТК.
Исходя из этих условий, могут быть намечены требования к основным параметрам технической характеристики ПР с цикловой СПУ: грузоподъемности; кинематической структуре; размерным параметрам (величинам перемещений схватов манипулятора по всем координатам, габаритным размерам манипулятора и СПУ и т. д.); динамическим параметрам (скоростям и ускорениям перемещений схватов манипуляторов); точности позиционирования; числу точек позиционировния (опорных точек) по каждой из координат; показателям надежности и долговечности. Предъявляемые к ПР требования должны обеспечиваться рациональным конструктивным исполнением всех его составных частей.
Одним из основных параметров, определяющим как габаритные размеры составных частей ПР, так и для большинства видов производств величины перемещений схвата манипулятора по каждой из координат, является грузоподъемность машины. С учетом этого параметра проводится выбор ПР, который должен наиболее полно и с наименьшими затратами обеспечивать в зависимости от поставленных задач автоматизацию технологических процессов одного или нескольких видов производств. Повышение степени универсальности ПР усложняет его конструкцию, что приводит к увеличению стоимости, снижению надежности и эксплуатационных качеств машины.
Ограничение технологических возможностей приводит к необходимости создания большего числа машин для решения задач по автоматизации технологических процессов. В каждом отдельном случае степень универсальности ПР должна быть обоснована экономически и рассматриваться в тесной взаимосвязи с другими моделями ПР, образующими размерный ряд.
В гл. 6 рассмотрен методический подход к обоснованию выбора ПР с цикловой СПУ и пневмоприводом. В основу положен анализ листоштамповочного производства с присущими для него особенностями, которые накладывают на разрабатываемые модели ПР повышенные требования, направленные на обеспечение высокой производительности РТК при достаточной точности установки объектов обработки в штамп.
Анализ существующих моделей ПР с цикловой СПУ показывает, что кинематическая структура манипуляторов в большинстве случаев выполнена по схеме, предусматривающей наличие трех транспортных степеней подвижности: подъема руки или ее вертикального качания относительно горизонтальной плоскости; Радиального хода руки; поворота руки вокруг вертикальной оси манипулятора или ее поперечного сдвига.
Ряд моделей ПР имеют наряду с поворотом руки вокруг вертикальной оси дополнительную степень подвижности — сдвиг. У большинства ПР единственная ориентирующая степень подвижности поворот схвата вокруг горизонтальной оси руки. В нескольких моделях ПР предусмотрены дополнительные степени подвижности — поворот и качание кисти. Некоторые модели ПР представлены в двух- и трехруком исполнениях. При этом увеличение числа рук ведет к уменьшению массы груза, переносимого ими. Результаты проведенного анализа позволяют судить об относительно несложной кинематической схеме построения ПР с цикловой СПУ.
Кинематическая схема, число и наименование степеней подвижности, закладываемых в разрабатываемую модель, должны быть увязаны с конкретно решаемой задачей по автоматизации.
В условиях современного производства немаловажное значение приобретает вопрос производственной площади, занимаемой РТК. Габаритные размеры манипулятора определяются не только грузоподъемностью, кинематической структурой, величинами перемещений схвата манипулятора, но и рациональным выбором типа привода и его конструкции, выбором рационального соотношения между габаритными размерами привода и заданными скоростными параметрами. При этом должна быть обеспечена легкость доступа к различным частям машины для регулировки, замены отдельных элементов, имеющих малый ресурс работы, проведения профилактического обслуживания.
Рассмотрение конструкций разработанных моделей ПР с цикловой СПУ показывает, что в манипуляторах в большинстве случаев применяют пневматический и гидравлический типы приводов, причем в ПР грузоподъемностью до 10 кг заложен преимущественно пневматический привод, а в ПР грузоподъемностью выше 10 кг — гидравлический. Такая закономерность объясняется стремлением, с одной стороны, разработать конструкцию манипулятора с минимальными габаритными размерами, при заданной грузоподъемности и, с другой, — преимуществом в этом отношении гидропривода но сравнению с пневмоприводом при грузоподъемности ПР свыше 10 кг.
Методический подход к обоснованию рационального быстродействия ПР с пневмоприводом и некоторым способам его достижения на основе проведения экспериментально-теоретических исследований приведен в гл. 6.
Принцип настройки величин перемещений схвата манипулятора по жестким упорам позволяет получать достаточно высокую точность позиционирования (±0,05 ^-±0,5 мм). Число точек позиционирования по каждой из координат для большинства ПР с цикловой СПУ равно двум, и только в технологически обоснованных случаях конструкция манипулятора усложняется из-за необходимости использования большего числа опорных точек по некоторым из координат.
РОБОТ «ЦИКЛОН-ЗБ»
Робот имеет относительно широкие технологические возможности, которые определяют область его применения. Являясь по своему основному назначению средством для автоматизации процессов листовой штамповки в условиях мелкосерийного и, частично, серийного производства, он с успехом применяется для автоматизации технологических позиций других видов производств на операциях загрузки и разгрузки, межстаночного транспортирования и межоперационного складирования в механических, заготовительных и других цехах.
Робот «Циклон-ЗБ» (рис. 2.1) представляет собой устройство, состоящее из манипулятора [А. с. № 503712 (СССР)] и системы программного управления. Система программного управления ПУР-Ц обеспечивает функционирование его исполнительной части— манипулятора, основными узлами которого являются руки, механизм подъема и поворота рук, выполненный в едином блоке, а также пневмосистема, обеспечивающая подготовку и распределение сжатого воздуха в соответствующие полости цилиндров. Грузоподъемность робота оценивается массой переносимого им объекта обработки. Техническая характеристика робота «Циклон-ЗБ» приведена в табл. 2.1.
На схеме манипулятора «Циклон-ЗБ» (рис. 2.2, а) показаны габаритные размеры, рабочая зона, величины перемещений охвата. Два основных узла — рука и механизм подъема и поворота рук в целом определяют конструкцию манипулятора.
Рука (рис. 2.3, о) представляет собой сборную конструкцию и предназначена для захвата, удержания и ориентации в пространстве объектов обработки. Для этого рука снабжена специ-
Рнс. 2.1. Робот *Циклон-ЗБ»
о 2.1. Технические характеристики роботов «Циклон», «Ритм-05», «Ритм-01» и их модификаций
Характеристика
Модель робота
«Циклои-ЗБ»
«Циклон-5.01»
«Циклон-5.02»
«Ритм-05»
«Ритм-01.01»
«Ритм-01.02»
«Ритм-01.03»
Масса переносимого груза, кг
3
5
5
0,5
0,1
0,1
о,1
Тип привода
Пневматический
Связь с ЭВМ
Отсутствует
Число программируемых степеней подвижности
6
6
7
7
5
5
4
Из них:
транспортирующих
4
4
5
5
4
4
3
ориентирующих
Диапазон перемещений:
2
2
2
2
1
1
1
поперечный сдвиг рук, мм
—
—
—
300
50
—
—•
поворот рук вокруг верти-
3,14
3,14
3,14
-—
3,84
3,84
3,84
кальной оси манипулятора, рад
подъем-опускание рук, мм
100
100
100
50
50
50
50
выдвижение-втягивание каждой руки, мм
600
600
600
400
150
150
150
поворот схвата каждой руки, рад (град)
3,14
3,14
3,14
3,14
3,14
3,14
3,14
поперечный сдвиг манипулятора, мм
—
—
400
•—
—
—
—
Точность позиционирования, мм:
+0,25
по повороту руки (рук)
±0,25
±0,25
—
±0,1
+ 0,1
±0,1
по остальным координатам Время, с:
±0,1
±0,1
±0,1
±0,1
±0,1
+0, 1
±0,1
сдвига манипулятора
—
—
1,8
—
—
—
поворота рук на угол 3,14 рад
3
2,2
2,2
—-
—
—
подъема-опускания руки на 100 мм
1,2
0,8
0,8
—
—
—
—
выдвижения-втягивания руки на 600 мм
1,5
1,0
1,0
■—
—
—
—
поперечного сдвига рук на 300 мм
/
—
—
0,7
0,2
—
подъема-опускания схватов рук на 50 мм
—
—
—
0,7
выдвижения-втягивания руки на 400 мм
—
—
—
0,3
0,3
подъема-опускания руки (рук)
—
—
—
—
0,3
на 50 мм
поворота руки (рук) на угол
—
—
—
—
0,6
0,6
0,6
3,84 рад выдвижения-втягивания схвата руки на 150 мм
—
—
—
_
0,25
0,3
0,25
0,25
поперечного сдвига руки на
—
—
—
—
—
50 мм
поворота схвата на 3,14 рад
1
1
1
0,5
0,25
0,25
0,25
Система программного управ-
Цикловая
ления
Тнп
ПУР-Ц
УЦМ-20
I УЦМ-20
I УПЦМ (УЦМ-30) *
1
АС-2611
Метод программирования
Предварительный набор программы
Способ задания координат Программоноситель:
Но упорам
Печатные
ТИП
Матрично-
Плата
Плата
платы с запаянными диода-
штырьковая
диодная
ми на соответствующих позициях
панель
1
100
число программ
емкость программы, кадров
1
34
1
34
I 32
1
32
|100
j 100
библиотека программ
Программирование перемеще-
Отсутсвует
Четыре
сменных
ний схвата:
5
3 (1),
число координат
число положений по транс-
6
4 (1) **, 2 (2-4)
6 4(1),
4 (1),
7
2
5 3(1),
3 (D,
портирующим координатам
2 (2—4)
2 (2—5)
2 (2—4)
2 (2—4)
2 (2—3)
число положений по ориентирующим координатам
1 2
2
2
2
2
* Для УЦМ-30 данные не приводятся.
• * В скобках указан номер координаты, имеющей соответствующее число положений.
Продолжение табл. 2.1
Характеристика
Модель робота
«Ци клон-ЗБ»
«Циклои-5.01»
«Ци клон- 5.02»
«Ритм-05»
«Ритм-01.01»
«Ритм-01.02»
«Ритм-01.03»
Контроль положения: транспортирующих координат ориентирующих координат
Программирование технологических команд: число команд
6
7
По датчикам положения
По времени
717115
15
15
число направлений
1
1
1
1
1
1
1
параметры выхода
контроль исполнения по числу
6
7
Нормально открытые
7|7
сонтакты
15
15
15
шин
Последовательность отработки программы
Порядок отработки кадра
Датчики положения
Параллельная
I
Естественная с без
Индуктивные
условным HOI
Последов
Магнитоуп-
зторенисм
ательная
Герконовые переключатели
Габаритные размеры манипуля-
1390Х840Х
1390Х 1040Х
1442Х 1630Х
равляемые переключатели
800Х500Х
510Х220Х
510Х300Х
510Х220Х
тора, мм
Х970
Х970
XI170
Х810
Х279
Х322
Х224
Габаритные размеры системы
535Х 650Х
550Х 490Х
550Х 490Х
450Х 560Х
250X440
250Х440Х
250Х440Х
программногоуправления
Х845
X 1200
Х1200
Х920
Х572
Х572
Х572
(СНУ), мм
Потребляемая мощность, кВт
0,9
1,0
1.0
0,5
0,4
0,4
0,4
Масса, кг
560
560
880
326
60
65
63
в том числе СПУ
80
100
100
70
34
34
34
Рис. 2.4. Схема механизма подъема манипуляторов роботов «Циклои-ЗБ» (а) и «Циклон-5» (о):/ — тормозное устройство; 2 — пневмоцилиидр; 3, 14 — дроссель; 4 — шток; 5 — манжета; 6 — направляющая; 7 — коллектор; 8 — ролик; 9 — скалка; 10 — водило; //—зажим; 12 —шток* поршень; 13—гидроцилиндр; 151— зубчатое колесо; 16 — обойма; /7—клии; 18 — винтРис. 2.4. Схема механизма подъема манипуляторов роботов «Циклои-ЗБ» (а) и «Циклон-5» (о):/ — тормозное устройство; 2 — пневмоцилиидр; 3, 14 — дроссель; 4 — шток; 5 — манжета; 6 — направляющая; 7 — коллектор; 8 — ролик; 9 — скалка; 10 — водило; //—зажим; 12 —шток* поршень; 13—гидроцилиндр; 151— зубчатое колесо; 16 — обойма; /7—клии; 18 — винт
Рис. 2.4. Схема механизма подъема манипуляторов роботов «Циклои-ЗБ» (а) и «Циклон-5» (о):
/ — тормозное устройство; 2 — пневмоцилиидр; 3, 14 — дроссель; 4 — шток; 5 — манжета; 6 — направляющая; 7 — коллектор; 8 — ролик; 9 — скалка; 10 — водило; //—зажим; 12 —шток* поршень; 13—гидроцилиндр; 151— зубчатое колесо; 16 — обойма; /7—клии; 18 — винт
Рис. 2.4. Схема механизма подъема манипуляторов роботов «Циклои-ЗБ» (а) и «Циклон-5» (о):
/ — тормозное устройство; 2 — пневмоцилиидр; 3, 14 — дроссель; 4 — шток; 5 — манжета; 6 — направляющая; 7 — коллектор; 8 — ролик; 9 — скалка; 10 — водило; //—зажим; 12 —шток* поршень; 13—гидроцилиндр; 151— зубчатое колесо; 16 — обойма; /7—клии; 18 — винт
альным схватом 1 и включает привод зажима 2 схвата, привод поворота 13 схвата и привод выдвижения руки.
Привод выдвижения руки состоит из пневмоцилиндра 10, штока-поршня 11, подводящих и выхлопных каналов, трубопроводов и распределительной пневмоаппаратуры.
Пневмоцилиндр включен в пневмосистему по дифференциальной схеме так, что штоковая полость его постоянно находится под магистральным давлением. Для выдвижения руки сжатый воздух подается в поршневую полость пневмоцилиндра, и шток- поршень вследствие разности эффективных площадей торцов поршня перемещается влево. При этом происходит выдвижение руки. При обратном ходе давление из поршневой полости сбрасывается в окружающую среду, и под действием силы от давления в штоковой полости шток-поршень осуществляет движение назад.
Воздух к пневмоцилиндру зажима подводят через каналы вала — зубчатого колеса 12 и валика 23. Привод поворота схвата состоит из двух пневмоцилиндров, реечно-зубчатой передачи 14, гидродемпфера 15, систем трубопроводов и распределительной пневмоаппаратуры. При поступлении воздуха в один из пневмоцилиндров поршень, неподвижно связанный с рейкой, приводит во вращение вал — зубчатое колесо 12. Возникающий при этом крутящий момент через валик 23 передается на схват, обеспечивая его поворот. Шток-поршень 11 жестко связан со скалкой 8, на которой размещены регулируемые вдоль нее упоры 9. На торце пневмоцилиндра со стороны схвата закреплено тормозное устройство <3, осуществляющее торможение поршня при нажатии упором 9 64
на золотник 4. Контроль окончания хода поршня осуществляется флажком 7, закрепленным на корпусе тормозного устройства и получающим перемещение также от упора 9. При этом флажок входит в паз бесконтактного датчика, сигнал с которого поступает в устройство программного управления.
Механизм подъема и поворота предназначен для осуществления перемещения рук вдоль вертикальной оси манипулятора и поворота рук вокруг нее. Схема механизма подъема манипулятора робота «Циклоп-ЗБ» показана на рис. 2.4.
Руки манипулятора закрепляют на верхнем торце подвижного пневмоцилиндра 2. Механизм подъема включает шток 4 с поршнем, установленный в подшипники, тормозное устройст- ство 7, аналогичное по конструкции устройству в руке. Верхнее положение цилиндра определяется положением регулируемого винта 78, который, упираясь в корпус тормозного устройства 7, препятствует дальнейшему перемещению пневмоцилиндра.
Торможение пневмоцилиндра при его ходе вниз обеспечивается внутренним тормозным устройством. При опускании пневмоцилиндра воздух из поршневой полости вытесняется в окружающую среду через центральный канал штока. При входе манжеты 5, смонтированной на штоке 4, во внутреннее глухое отверстие пневмоцилиндра воздух вытесняется из поршневой полости через канал, перекрываемый регулируемым игольчатым дросселем 3. При этом в поршневой полости образуется воздушная подушка, создающая тормозной эффект. На нижней части винта 18 закреплены флажки. Верхний флажок регулируется по высоте. Контроль положений при подъеме-опускании пневмоцилиндра 2 осуществляется флажками, поочередно входящими в паз датчика ВК4.
Механизм поворота (рис. 2.5) манипулятора робота «Цик- лон-ЗБ» смонтирован в едином блоке с механизмом подъема и предназначен для поворота рук, закрепленных на консоли 8,
°).
Рис. 2.5. Схема механизма {поворота манипулятора робота мод. «Циклон»:
я — для «Циклона-ЗБ»; б;— клапан быстрого сброса воздуха к руке и механизму поворота манипулятора «Циклон-5»: / — планка; 2 — шток; 3 — гайка-упор; 4 — пневмоцилиидр упоров; 5 — рабочий пиевмоцилиидр; 6 — флажок; 7 — шток; 8 — консоль; 9 — гидроцилиидр; 10 — напорный клапан; 11 — дроссель; 12 — гидравлический Распределитель; 13, 22 — крышка; 14, 19, 21 — уплотнение; 15 — корпус; 16 — поршень; 17 — пружина; 18 — клапан; 20 — седло
6 Шифрин Я А и др.65
вокруг вертикальной оси манипулятора. Он состоит из двух рабочих пневмоцилиндров 5 и двух пневмоцилиндров 4 упоров.
Штоки 7 поршней рабочих пневмоцилиндров выполнены в виде реек, в полых концах которых находятся тормозные датчики. Передние концы штоков являются плунжерами гидроцилиндров 9. На штоках 2 пневмоцилиндров 4 закреплены поршни и планки 1, которые, упираясь в регулируемые гайки-упоры 3, ограничивают перемещение штоков 2. Штоки 7 входят в зацепление с зубчатым колесом 15 (рис. 2.4), закрепленным на штоке 4. Передача крутящего момента со штока на пневмоцилиндр 2 осуществляется через безлюфтовое соединение посредством скалки 9, закрепленной на зажиме И и приводящей во вращение водило 10, жестко связанное с пневмоцилиндром.
Подвод воздуха к пневмоцилиндрам рук на перемещения и зажим-разжим схватов осуществляется через кольцеобразные канавки и продольные каналы в пневмоцилиндре 2. Канавки разделены между собой резиновыми кольцами, предотвращающими перетечку сжатого воздуха из одной канавки в другую. Достигнутая за счет этого компактность конструкции манипулятора вызвала уменьшение пропускных способностей магистралей пневмопривода руки и создала дополнительные сопротивления при работе механизма поворота.
Вопросы, связанные с обеспечением рационального быстродействия приводов руки робота и механизма поворота при сохранении компактности конструкции манипулятора, рассмотрены в гл. 6.
Управление рабочими пневмоцилиндрами 5 (рис. 2.5) осуществляется от одного пневмораспределителя, так как их правые полости связаны непосредственно с окружающей средой. Пневмоцилиндры 4 упоров работают от двух пневмораспределителей.
Гидравлическое тормозное устройство включает в себя гидравлический распределитель 12 с электромагнитным управлением, дроссель 11, напорный клапан 10. Эффект торможения создается за счет изменения направления потока масла при переключении золотника распределителя, соответствующий электромагнит которого срабатывает от поступающего с тормозного датчика ВК1 (ВК.2) электрического сигнала. Напорный клапан 10 при соответствующей регулировке смягчает гидравлический удар в момент торможения, переливая часть масла непосредственно в сливную полость гидроцилиндра, минуя дроссель 11. Регулирование рабочей скорости при повороте рук обеспечивается дросселированием потока масла из одного гидроцилиндра в другой.
Некоторое усложнение конструкции пневмопривода за счет применения пневмоцилиндров 4 упоров со штоками 2 позволило увеличить число опорных точек при повороте рук до четырех. Получение двух средних точек достигается ограничением хода реек за счет перемещений на заданную величину поршней пневмо- 66
цилиндров 4 упоров со штоками 2, передние концы которых в этом случае являются упорами.
Совершенствование робота является тем необходимым этапом, своевременное и качественное проведение которого позволяет поддерживать высокий технический уровень этого вида технологического оборудования. Мероприятия по совершенствованию робота «Циклон-ЗБ» предусматривали повышение надежности и эксплуатационных показателей робота, повышение технологичности и снижение трудоемкости изготовления, улучшение ряда технических характеристик. Выявление недостатков конструкции и разработка новых решений проводились с учетом сбора и обработки информации, поступающей с предприятий, эксплуатирующих первые партии робота «Циклон-ЗБ»; обработки материалов ресурсных испытаний опытных образцов робота указанной модели; дополнительных патентных исследований и изучения зарубежных образцов робота; теоретического и экспериментального исследования ряда функциональных узлов робота «Циклон-ЗБ». Экспериментально проверенные решения поэтапно внедрялись в действующее производство робота «Циклон-ЗБ».
Ниже описаны некоторые основные изменения конструкции узлов манипулятора. В процессе эксплуатации опытных партий робота «Циклон-ЗБ» выявлен ряд недостатков пневматического способа торможения.
На рис. 2.3, б показана схема пневматического тормозного устройства. Как видно из схемы, торможение осуществляется в конце хода поршня при изменении сечения выхлопного канала за счет создания в выхлопной полости цилиндра воздушной подушки и возникающей при этом силе противодавления. При движении поршня вперед сжатый воздух из сети через распределительную аппаратуру поступает в поршневую полость цилиндра. Начало движения соответствует утопленному в корпусе 24 положению упора 25 тормозного устройства. При этом движение сжатого воздуха осуществляется через обратный клапан 22 в поршневую полость цилиндра.
В начальный период перемещения поршня упор 25 освобождается и занимает крайнее левое положение, а сжатый воздух меняет свое направление и поступает в поршневую полость цилиндра через канал Б в корпусе 24. В период движения поршня вперед сжатый воздух вытесняется из штоковой полости цилиндра и направляется в ресивер через канал А в корпусе 27. При подходе поршня к упору 26 последний утапливается, перекрывая при этом канал А в корпусе 27 и направляя поток воздуха через дроссель 28. Дросселями 28 регулируется степень плавности подхода поршня к опорной точке при его прямом и обратном ходах.
Аналогичным образом осуществляется торможение при движении поршня назад.
Золотниковое устройство пневмотормоза представляет собой притертую пару с суммарным радиальным зазором 5—7 мкм.
3* 67
Увеличение этого зазора в процессе эксплуатации ведет к появлению ударов при подходе поршня к опорной точке, что вызвано образованием значительных утечек воздуха через золотниковую пару. При втянутой руке робота и изношенной манжете поршня со стороны штоковой полости может наблюдаться явление виброудара, приводящее к аварийной ситуации из-за ложных команд датчика положения поршня. При положении поршня в крайнем заднем положении упор 25 (см. рис. 2.3) утоплен, и выход воздуха из поршневой полости в окружающую среду задросселирован.
Вследствие перетечек воздуха через изношенную манжету 29 из штоковой полости в поршневую в последней создается избыточное давление, перемещающее поршень вперед до момента открытия канала Б в корпусе 24, после чего давление в поршневой полости падает, и поршень возвращается в исходное положение, утапливая упор 25. Явление повторяется многократно.
Изменение величины рабочего хода поршня в ряде случаев связано с изменением объемов соответствующих выхлопных полостей, что оказывает влияние на величину тормозной силы. При этом требуется дополнительная подрегулировка дросселей тормозного устройства.
Описанные недостатки исключены путем замены пневматического тормозного устройства на гидравлическое (см. рис. 2.3). Это тормозное устройство представляет собой замкнутую систему, заполненную маслом. При движении поршня вперед в момент торможения правый золотник 4 утапливается и вытесняет масло через кольцевой зазор из полости упора в полость Г, находящуюся под давлением сжатого воздуха. Степень плавности торможения обеспечивается встроенным в устройстве дросселем.
При ходе поршня назад масло из полости Г под давлением сжатого воздуха через обратный клапан 5 поступает в полость правого золотника 4, возвращая его в исходное положение. Торможение поршня при ходе назад осуществляется аналогично.
Результаты экспериментальных исследований описанных способов торможения приведены в гл. 6.
Наличие ударных нагрузок при повороте схвата приводило к увеличению зазора в соединении (см. рис. 2.3), образованном бронзовой втулкой 21 вала —зубчатого колеса 12 и валиком 23. Дросселирование выхлопных полостей пневмоцилиндров привода поворота к положительным результатам не привело. Внедрение гидродемпфера 15 в привод поворота схвата исключило этот недостаток. При применении гидродемпфера регулировка скорости поворота схвата производится за счет дросселирования потока масла, перетекающего из одной полости гидродемпфера в другую. При этом не требуется регулировки расхода воздуха дросселями привода поворота схвата, установленными на пневмопанелях манипулятора, что, в свою очередь, способствует нормальной (без перетечек воздуха) работе уплотнений в паре коллектор — цилиндр механизма подъема и поворота рук.
Гидродемпфер выполнен в виде пневмодвигателя вращательного действия (квадранта). На удлиненной части вала —зубчатого колеса 12 закреплена подвижная лопасть 17, уплотняющаяся по всему периметру. К внутренней поверхности корпуса квадранта крепят упор с каналом для перетечки масла из одной полости гидродемпфера в другую. Регулировку расхода перетекаемого масла через канал осуществляют дросселем 16.
Конструкция механизма подъема также претерпела ряд изменений. Пневматическое тормозное устройство заменено на гидравлическое. Внедрение гидравлического тормозного устройства обеспечило возможность безударного подхода к месту позиционирования без подрегулировки при изменениях массы переносимого груза и углов поворота рук; более удобную и простую регулировку дросселем, устанавливаемым на тормозном устройстве; повышенную надежность за счет исключения прецизионной золотниковой пары и предотвращения утечек сжатого воздуха через эту пару; снижение трудоемкости изготовления.
Внедрение обоймы 16 (см. рис. 2.4) с флажками, входящими при повороте рук в пазы бесконтактных датчиков ВК1, ВК2, ВКЗ, повысило эксплуатационные показатели робота. Обоймы представляют набор подпружиненных пластин с выступами, которые выполняют роль флажков. С помощью специального ключа каждая из пластин легко проворачивается относительно вертикальной оси манипулятора на требуемый угол. Повысилась надежность этого узла.
В результате внедрения пары зажим — шток осуществлена надежная беззазорная передача крутящего момента со штока 4 на зажим И и далее по цепочке на пневмоцилиндр 2. Передача момента в рассматриваемом варианте осуществляется с помощью клина 17 (вместо шпонки), обеспечивающего беззазорность соединения пары, что повысило точность позиционирования рук при повороте вокруг вертикальной оси манипулятора. Закрепление рук на торце пневмоцилиндра 2 с помощью радиально расположенных по отношению к оси цилиндра штифтов (вместо шлицевого соединения) также способствовало уменьшению суммарного зазора.
В конструкцию манипулятора введена направляющая 6", закрепляемая в верхней части станины и имеющая ось, параллельную оси пневмоцилиндра. По поверхности направляющей с двух противоположных сторон перемещаются ролики 8, образуя с ней беззазорное зацепление. Ролики с помощью кронштейна жестко крепят к коллектору 7, предохраняя его от перекосов во время поворота пневмоцилиндра 2.
РОБОТ «ЦИКЛОН-5.01* И ЕГО МОДИФИКАЦИЯ
Для наиболее полного и эффективного использования робота «Циклон-ЗБ» на предприятиях нескольких отраслей необходимо было не только значительно увеличить объем производства
69
Рис. 2.бе Робот «Циклон-5.02»
этой модели, но и качественно переработать конструкцию под технологию крупносерийного производства, улучшить основные технические характеристики, расширить технологические возможности. Такой модернизированной моделью является робот «Циклон-5.01».
Следующей модернизацией явился робот «Циклон-5.02» (рис. 2.6). Расширение технологических возможностей осуществлено за счет разработки отдельного устройства — модуля сдвига, при стыковке с которым манипулятор робота оснащается еще одной степенью подвижности — перемещением в направлении, перпендикулярном к его продольной оси.
Манипулятор робота «Циклон-5.01» структурно ие отличается от манипулятора робота «Циклон-ЗБ», изготовляется с двумя руками, имеет такую же рабочую зону. В роботах «Циклон-5.01», «Циклон-5.02» применена новая система программного управления УЦМ-20.
Внешнее различие как робота, так и манипулятора определилось результатами художественно-конструкторской проработки 129]. Имеются некоторые конструктивные особенности основных узлов манипулятора и СПУ, определившие улучшенные технические характеристики ПР. Эти особенности рассматриваются ниже.
Анализ результатов экспериментально-теоретических исследований руки робота (см. рис. 2.3) показал, что пневмопривод по ее выдвижению-втягиванию в робот «Циклон-ЗБ» выбран со значительным запасом по нагрузке. При зафиксированных значениях пропускных способностей подводящей и выхлопной пневмолиний появилась возможность уменьшить диаметр поршня пневмоци- 70
линдра. При этом возросла скорость поршня при увеличенной массе переносимого груза и уменьшилась масса руки, что способствовало получению лучшей динамики при повороте и подъемс- опускавии рук робота.
Ввиду того, что внутренний диаметр пневмоцилиндра 10 с уменьшенным размером является оптимальным для данной конструкции, влияние противодавления при сжатом схвате и движении поршня назад внесло свои отрицательные коррективы в работу привода. Для исключения этого влияния каналы вала зубчатого колеса 12 и трехгранного шлицевого валика 23 объединены через трубку 18 (рис. 2.3, й), заделанную в центральном канале вала — зубчатого колеса и уплотненную резиновым кольцом 19, установленным во втулке 20, запрессованной в валик 23. Таким образом, уплотнение трубки 18 обеспечивается по всей длине перемещения схвата.
В поршневую полость пневмоцилиндра сжатый воздух поступает через специальное устройство — клапан быстрого сброса воздуха (рис. 2.5, б). Этот клапан устанавливают также на входе, в полости пневмоцилиндров 5 (рис. 2.5, а) механизма поворота рук. Их применение уменьшило время подготовительного периода при движении назад поршней рассматриваемых пневмоцилиндров.
Клапан (рис. 2.5, б) состоит из корпуса 15 с отверстием Г и двух крышек: 22 с отверстием Д и /Зс отверстиями Л и Б. Корпус 15 и крышки 22, 13 образуют полость, внутри которой размещен подвижный ступенчатый поршень 16 с уплотнениями 21, 14, в котором предусмотрены отверстия В. Во внутренней полости поршня 16 размещены пружина 17 и клапан 18 с уплотнением 19, взаимодействующим с седлом 20. Клапан работает следующим образом. Сжатый воздух подается от пневмораспределителя через отверстие Д в крышке 22 к поршню 16 и клапану 18. При этом поршень 16 начинает перемещаться и уплотнение 14, упираясь в седло крышки 13, перекрывает отверстие Л, тем самым закрывая выход воздуха в окружающую среду.
По мере нарастания давления сжатый воздух, преодолевая сопротивление пружины 17, перемещает клапан 18, который открывает отверстия В в поршне 16. Воздух через эти отверстия и отверстие Г в корпусе 15 подается в поршневую полость пневмоцилиндра. Поршень перемещается. При переключении пневмораспределителя отверстие Д крышки 22 сообщается с окружающей средой, и давление под торцами клапана 18 и поршня 16 начинает падать. При этом клапан 18 под действием пружины, поршень 16 под действием сжатого воздуха, находящегося в поршневой полости пневмоцилиндра, перемещаются в исходное положение. Воздух из поршневой полости пневмоцилиндра при Движении поршня назад выходит через отверстие Г в корпусе 15 и отверстия Б, Л в крышке 13 непосредственно в окружающую среду/
При исследовании механизма подъема было установлено, что воздушная подушка выхлопной полости А (см. рис. 2.4), образуемая при опускании пневмоцилиндра 2 с закрепленной на нем массой, не обеспечивает в конце хода, в случае увеличения скорости, плавного подхода к опорной точке.
Для обеспечения необходимых скоростей при подъеме-опускании рук и улучшения динамики перемещения при изменяющейся нагрузке в конструкцию механизма включены гидродемпферы, устройство которых показано на рис. 2.4, б. Гидродемпфер состоит из гидроцилиндра 13, закрепленного на станине манипулятора, штока-поршня /2, дросселя 14. Шток-поршень /2 гидродемпфера связан с коллектором. При перемещении цилиндра подъема с коллектором перемещается и шток-поршень, вытесняя масло из штоковой полости в поршневую и наоборот через дроссель 14, с помощью которого регулируется скорость перемещения. Таким образом, несмотря на то, что энергоносителем механизма подъема является сжатый воздух, закон перемещения цилиндра определяется работой гидродемпфера. Время отработки перемещения при подъеме-опускании уменьшается почти в 2 раза, причем изменение нагрузки в допустимых пределах практически не оказывает влияния на плавность перемещения цилиндра.
По механизму поворота конструктивные изменения невелики. Они направлены в основном на уменьшение подготовительного периода времени рабочего цикла и заключаются в применении клапанов быстрого сброса воздуха, конструкция которых описана ранее, а также в установке на 11 уплотнительных кольцах коллектора П-образпых чехлов из наполнителей композиции фтор- лона-4.
На основе данных, полученных в процессе исследования и эксплуатации робота «Циклон-ЗБ» в производственных условиях, разработана и серийно изготовляется СПУ УЦМ-20. Эта система является составной частью робота «Циклон-5.01» и его модификации. Применение СПУ УЦМ-20 повысило надежность робота в целом, способствовало увеличению быстродействия и расширило возможности робота с цикловой СПУ.
Повышение надежности функционирования робота достигнуто за счет замены шагового искателя на электронный коммутатор, частичного исключения релейных элементов, исполнения матрично-штырьковой напели в виде двухслойной печатной платы, применения в условиях стабильного технологического процесса плат программоносителя с жесткопаяными диодами. Платы и диоды поставляют дополнительно в составе ЗИПа. Достигнутый эффект по увеличению быстродействия робота получен на основе анализа, данных экспериментальных исследований пневмо- и пневмогидроприводов исполнительных механизмов манипулятора робота «Циклон-ЗБ» в опытном и модернизированном исполнениях. Об этом подробно описано в гл. 6.
Одним из преимуществ СПУ УЦМ-20 ио сравнению с СПУ цУР-Ц является возможность управления дополнительной степенью подвижности манипулятора робота «Циклон-5.02»,
Модуль сдвига представляет собой автономное устройство для осуществления поперечного перемещения манипулятора относительно его продольной осн.
По упорам0—400■ДОД0,2По упорам0—400■ДОД0,2Основные технические характеристики модуля сдвига
По упорам
0—400
■ДОД0,2
По упорам
0—400
■ДОД0,2
Способ задания координат
Число точек позиционирования, шт
Пределы регулирования перемещения манипулятора, мм Точность позиционирования, мм
Средняя скорость перемещения, м/с
Модуль сдвига включает в себя подвижную платформу, которая может перемещаться по направляющим с помощью шариковых муфт и пневмопривода для перемещения платформы в горизонтальном направлении. Пневмоцилиндр прикреплен к нижней части платформы. Его шток закреплен на неподвижной опоре. Плавность торможения при подходе манипулятора к опорной точке обеспечивается гидравлическими тормозными устройствами. Конечные положения платформы регулируются подвижными упорами и контролируются датчиками положения. Пневмораспределитель связан с пневмоцилиндром через дроссели, с помощью которых осуществляется регулировка скорости перемещения платформы с манипулятором. Для предохранения направляющих от загрязнения и попадания на них посторонних предметов модуль снабжен защитным устройством телескопического типа.
Манипулятор робота «Циклон-5.01» при установке на платформу фиксируют относительно нее с помощью двух штифтов и крепят четырьмя шпильками. Технические характеристики робота «Циклон-5.01» и его модификации приводятся в табл. 2.1.
Перечисленные выше конструктивные решения, полученные на основе проведения экспериментально-теоретических исследований и реализованные в роботе «Циклон-5.01», создали предпосылки для увеличения производительности РТК, автоматизируемых на основе модернизированных роботов. Например, производительность таких комплексов при автоматизации технологических производств холодной листовой штамповки повысилась на 20—40 % в зависимости от соответствующих параметров обрабатываемых заготовок или полуфабрикатов и типоразмеров прессового оборудования, а также от условий организации труда.
Расширилась и область применения робота «Циклон-5.01» и его модификаций. Робот «Циклон-5.02» используют при автоматизации процессов литья под давлением, а также в мехаиообра- батывающем производстве.
РОБОТ «РИТМ-05» И ОСОБЕННОСТИ ЕГО КОНСТРУКЦИИ
Робот «Ритм-05» (рис. 2.7) грузоподъемностью 0,5 кг предназначен для автоматизации технологических процессов холодной листовой штамповки в условиях серийного и мелкосерий ного производства. Целесообразность создания специализированного робота такой грузоподъемности вызвана недостаточной производительностью созданных на базе робота мод. «Циклон» РТК холодной листовой штамповки при обработке заготовок ограниченных параметров.
Созданный робот «Ритм-05» отвечает современным требованиям 129], предъявляемым к машинам данного класса и назначения. Это вторая модель робота с цикловой СПУ и пневмоприводом, входящая в отраслевой размерный ряд. Время рабочего цикла робота «Ритм-05» на РТК холодной листовой штамповки составляет 3—5 с. Основными особенностями робота «Ритм-05» являются его быстродействие при высокой точности позиционирования переносимых объектов обработки, сравнительно небольшие габаритные размеры, простота обслуживания, удобство и быстрота переналаживания при частой смене номенклатуры изготовляемых деталей. К наиболее близким аналогам робота «Ритм-05» можно отнести робот Fuji Press Hand» (Япония).
Вместе с тем робот «Ритм-05» имеет некоторые существенные конструктивные отличия. Основные из них: большая величина (до 50 мм) вертикального перемещения схвата руки с обеспечением регулировки верхней опорной точки; ступенчатая регулировка поворота схвата с шагом 0,785 рад; регулировка величины пере-
Рис. 2.7. Робот «Ритм-05»
71
рис. 2.8. Схема манипулятора ро бота «Ритм-05»
метения в механизме поперечного сдвига рук; автономность пневмоприводов подъема, поворота; меньшие габаритные размеры и массы как подвижных частей руки, так и манипулятора в целом при сохранении точностных, скоростных параметров, объема рабочей зоны обслужива
ния и грузоподъемности.
Ряд перечисленных особенностей направлен на расширение технологических возможностей робота указанной модели. Робот «Ритм-05» состоит из исполнительной части (манипулятора) и управляющей (СПУ УЦМ-30), вынесенной в автономный блок. Манипулятор (рис. 2.8) робота «Ритм-0,5» представляет собой блочную конструкцию, состоящую из двух автономно функционирующих рук, механизма поперечного сдвига рук, блока распределительной аппаратуры и системы подготовки воздуха. Каретка с закрепленными на ней руками может перемещаться по направляющим относительно неподвижного основания в горизонтальной плоскости, перпендикулярной к продольным осям рук. Схваты обеих рук манипулятора совершают независимые (кроме сдвига) перемещения в пространстве в прямоугольной системе координат. Все угловые и линейные перемещения схватов манипулятора осуществляются от пневмоприводов, представляющих собой совокупность встроенных в узлы машины пневмоцилиндров и пневмоквадранта (пневмодвигателей вращательного действия), надежно работающих при рабочем давлении сжатого воздуха на входе в манипулятор, равном 44,2-104 Па. Точность позиционирования переносимых схватами рук объектов обработки обеспечивается жесткими неподвижными либо регулируемыми упорами. Краткая техническая характеристика робота «Ритм-05» приведена в табл. 2.1.
Кроме основных, рабочие органы манипулятора имеют и установочные перемещения, фиксируемые по шкалам, размещенным на неподвижных частях манипулятора. Это позволяет оперативно осуществлять переналадку манипулятора для обеспечения его рациональной взаимосвязи с технологическим оборудованием РТК.
Рука робота (рис. 2.9) предназначена для захвата, удержания и ориентации в пространстве объектов обработки массой до 0,5 кг без учета массы деталей штатного схвата.Рука имеет блочную конструкцию и состоит из трех основных узлов: основания 19,
Рис. 2.9. Схема манипулятора «Ритм-05»: а Рука; б — основаниеРис. 2.9. Схема манипулятора «Ритм-05»: а Рука; б — основаниемеханизма выдвижениямеханизма выдвижения17 и головки 3. Основание руки предназначено для ее закрепления на подвижной каретке 28 манипулятора и имеет устройство для установочного, в случае необходимости, поворота руки относительно вертикальной оси на угол ±1,133 рад. Основание 19 руки состоит из фланца, установленного на каретке, с неподвижно закрепленной на нем вертикальной осью. На оси с обеспечением возможности вращения размещено кольцо, верхняя плоскость которого является привалочной и имеет отверстия для крепления корпуса механизма выдвижения руки. Кольцо вместе с рукой удерживается от поворота вокруг оси прижимной планкой.
Рис. 2.9. Схема манипулятора «Ритм-05»: а Рука; б — основание
Рис. 2.9. Схема манипулятора «Ритм-05»: а Рука; б — основание
механизма выдвижения
механизма выдвижения
Механизм 17 выдвижения руки предназначен для горизонтального рабочего п установочного перемещений схвата вдоль горизонтальной оси руки. Основными его узлами являются механизм горизонтального перемещения и пневмоцилиндр 10. Механизм горизонтального перемещения представляет собой блок направля- 76
ющей качения, имеющий корпус с обоймами и полую скалку 16 квадратного сечения. Скалка взаимодействует с шариками 18, которые перекатываются по поверхностям обойм, вставленных в корпус. На переднем конце скалки 16 с помощью кронштейна 8 закреплены головка 3 и шток пневмоцилиндра 10. С противоположной стороны скалки 16 установлен переходной коллектор, к которому подсоединяют трубопроводы и кабель, размещающиеся внутри скалки и обеспечивающие связь с пневмоприводами и датчиками головки. К коллектору с одной стороны и к головке с другой присоединена скалка 15, имеющая шкалу для отметки установочного перемещения. На скалке 15 расположены регулируемые упоры 14, взаимодействующие с датчиками положения 11 при выдвижении-втягивании схвата. Перемещение схвата осуществляют пневмоцилиндром 10, который крепят к корпусу механизма выдвижения гайкой с поворотными цапфами. Гильза пневмоцилиндра на наружной поверхности имеет резьбу для обеспечения установочного перемещения схвата вдоль горизонтальной оси руки с фиксацией величины перемещения по шкале скалки 15.
Для осуществления торможения схвата руки в конце перемещения при выдвижении-втягивании в пневмоцилиндре предусмотрены внутренние тормозные пневматические устройства 12 с ходом торможения 70 мм. Крышки пневмоцилиндра для предотвращения их от поворота при вращении гильзы закреплены на гильзе с помощью специальных шариковых замков. В крышки встроены дроссели для настройки скорости торможения, а также дроссели с обратными клапанами 13 для регулировки скорости перемещающихся масс руки при ее выдвижении-втягивании.
Узел схвата, механизмы поворота и подъема схвата объединены в головке, которую крепят на переднем конце подвижной скалки механизма выдвижения. Головка 3 представляет собой конструкцию, состоящую из корпуса, выполненного в виде вилки с двумя направляющими вертикальными скалками 6. К корпусу крепят датчики положения 9 схвата при его подъеме-опускании. По направляющим скалкам в вертикальном направлении перемещается механизм подъема схвата, включающий корпус со встроенными внутри пневмоприводом-пневмоквадрантом 4 и гидродемпфером 5. Ось квадранта параллельна горизонтальной оси руки.
На выходном валу пневмоквадранта со стороны гидродемпфера закреплено зубчатое колесо, находящееся в зацеплении с зубчатой рейкой, жестко соединенной с корпусом головки. Гид- родемпфер имеет дроссель постоянного сечения, который определяет скорость перемещения механизма. Механизм подъема имеет два крайних положения по перемещению — нижнее (нерегулируемое) и верхнее (регулируемое). Верхнее положение регулируется перемещением подвижного упора 7, закрепленного на подпружиненной скалке, расположенной в корпусе головки. Корпус механизма подъема имеет привалочную плоскость, к которой крепят механический или пневматический схваты. Конструкция 77
манипулятора предусматривает также возможность установки электромагнитных схватов.
Механический схват—это блок, включающий привод поворота схвата вокруг его горизонтальной оси и привод зажима- разжима схвата с элементами захватного устройства. Если программа робота не предусматривает вращения схвата относительно горизонтальной оси, привод поворота схвата может быть снят. В этом случае захватное устройство крепят непосредственно с помощью кронштейна кпривалочной плоскости корпуса механизма подъема. Привод захватного устройства представляет собой пневмоцилиндр 1 одностороннего действия, на передней крышке которого закреплены элементы клещевого захвата.
Зажим детали осуществляют при подаче сжатого воздуха в соответствующие полости пневмоцилиндров, а разжим —с помощью пружин, возвращающих поршни пневмоцилиндров в исходное положение и разжимающих губки схвата.
На крышке пневмоцилиндра схвата закреплен упор, ограничивающий максимальный угол 3,14 рад поворота схвата при его взаимодействии с неподвижным и регулируемым упорами 2. Упоры 2 расположены на корпусе 22 механизма поворота схвата и позволяют изменять угол поворота в пределах 3,14 рад с шагом 0,785 рад. Ось поворота схвата соединена с помощью прямоугольного зуба 23 с выходным валом привода. Привод поворота схвата — пневмочвадрант 20 с гидродемпфером 21, встроенный в корпус привода поворота и конструктивно выполненный аналогично описанному выше приводному пневмоквадранту механизма подъема схвата.
Приводы зажима и поворота схвата имеют штуцера для подсоединения пневматических трубопроводов. При снятом механизме поворота схвата штуцера закрывают заглушками. Пневматический схват устанавливают, при необходимости, вместо механического. Он имеет переходной кронштейн с посадочными местами для крепления к корпусу механизма подъема. С кронштейном соединен корпус схвата, внутри которого расположен эжектор для создания разрежения в захватных вакуумных присосках. В корпусе имеются пазы для 'перемещения скалок, которые крепят прижимными крышками. На незакрепленных концах скалок установлен малый кронштейн. К нему присоединяют специальный блок либо с одной, либо с двумя регулируемыми в горизонтальной плоскости присосками.
Основание предназначено для перемещения рук в направлении, перпендикулярном продольной оси манипулятора, для установочного перемещения рук в вертикальном направлении и для подготовки и распределения сжатого воздуха по приводным устройствам манипулятора. Этот узел состоит из двух частей. В передней части основания расположены механизм сдвига 29 и механизм для установочного перемещения 27 рук в вертикальной плоскости. В одном блоке с указанными механизмами находится подготови- 78
рис. 2.10. Схемы работы манипулятора в составе РТК холодной листовой штамповки:
— последовательность перемещений; сплошная линия — перемещения схватов с объектами обработки в начале рабочего цикла; штриховая — возврат схватов рук в исходное положение
тельно-распределительная пневмоаппаратура. Эти две части объединены и закреплены на станине основания. Механизм для осуществления перемещения рук в поперечном направлении состоит из подвижной каретки 28, на которой закреплены руки, переналаживаемые упоры 34 для регулировки величины перемещения по сдвигу, приводной пневмоцилиндр 33 и направляющие 31 качения, по которым через шарики в сепараторе осуществляется перемещение каретки. Каретка перемещается от пневмоцилиндра, имеющего неподвижный шток 32, связанный с одной из боковых траверс. Торможение в конце хода осуществляется с помощью двух гидродемпферов 36, имеющих регулировку скорости торможения.
На корпусах гидродемпферов расположены датчики положения 35 посдвигу. Установочное перемещение каретки с руками достигается с помощью винтовых передач 26, связанных между собой коническими зубчатыми передачами 24 и расположенных в траверсе. Винты от этих передач жестко связаны со станиной основания, а гайки — с траверсой, которая может перемещаться по вертикальным направляющим станины. Фиксацию положения траверсы при подъеме-опускании осуществляют с помощью двух тангенциальных зажимов 25 траверсы, взаимодействующих при фиксации с направляющими. Максимальная величина установочного вертикального перемещения траверсы равна 200 мм. Величины перемещения фиксируют по шкале, закрепленной на неподвижной части рамы основания манипулятора.
Манипулятор крепят к подвижной каретке, обеспечивающей откат манипулятора от пресса для проведения его технического обслуживания, смены штамповой оснастки и т. д. Каретка оснащена четырьмя роликами 30, с помощью которых она вместе с манипулятором может перемещаться вручную по направляющим рельсам, закрепленным в фундаменте. Для фиксации манипулятора на рельсах расположены переналаживаемые упоры, между которыми он размещается.
На рис. 2.10 показаны схемы работы манипулятора робота «Ритм-05» на РТК холодной листовой штамповки и возможные перемещения схватов рук при отработке рабочего цикла. Объект обработки в виде прямоугольников показан в трех точках — на исходной позиции, в штампе пресса и на конечной позиции после обработки. Как видно из рис. 2.10, а, б, в РТК задействованы все транспортные перемещения схватов манипулятора. Работа (рис. 2.10, в, г) с объектами обработки ограниченных
параметров позволяет сократить рабочий цикл обработки и тем самым повысить производительность РТК за счет исключения из программы одного из транспортных перемещений. Так, на рис. 2.10, в исключено выдвижение рук, а на рис. 2.10, г — поперечный сдвиг рук.
РОБОТ «РИТМ-01» И ЕГО МОДИФИКАЦИИ
Робот предназначен для автоматизации технологических процессов в листоштамповочном и механосборочном производствах. Эта модель робота дополняет отраслевой размерный ряд машин данного класса в сторону наименьших по габаритным размерам и массам объектов обработки. Грузоподъемность гаммы роботов «Ритм-01»—до 0,1 кг. Каждая из рассматриваемых моделей робота представляет устройство, состоящее из манипулятора, системы программного управления и силового блока, объединенных электрокабелями и пневматическими трубопроводами.
Если кинематическая схема манипулятора робота «Ритм-01.01» позволяет наиболее удачно вписывать эту модель в РТК механической обработки, то исполнения манипуляторов роботов «Ритм-01.02» и «Ритм-01.03» предусматривают их предпочтительное применение при автоматизации технологических процессов несложной сборки и холодной листовой штамповки на прессовом оборудовании с технологическими усилиями до 250-103 Н.
Габаритные размеры, рабочие зоны и величины перемещений рабочих органов манипуляторов роботов «Ритм-01.01», «Ритм-01.02», «Ритм-01.03» показаны на рис. 2.11. В манипуляторе робота «Ритм-01.01» (рис. 2.11, а) предусмотрено пять степеней подвижности, из них четыре степени подвижности являются транспортными (подъем-опускание, поворот, поперечный сдвиг и выдвижение-втягивание руки). Поворот схвата вокруг горизонтальной оси руки определяет единственную ориентирующую степень подвижности.
В манипуляторе робота «Ритм-01.02» (рис. 2.11, б) сдвиг руки отсутствует, а на специальных кронштейнах закреплены две руки. Одна из них по конструктивному исполнению аналогична устанавливаемой на манипуляторе робота «Ритм-01.01» двухстепенной руке. Вторая рука —одностепенная. В ней отсутствует ориентирующая степень подвижности — поворот схвата вокруг горизонтальной оси руки.
В конструкции манипулятора предусмотрена возможность регулировки взаимного расположения рук как в вертикальной, так и в горизонтальной плоскости. Величина регулируемого смещения осей рук в вертикальной плоскости составляет 0—40 мм. Ось схвата одностепенной руки может быть смещена в вертикальной плоскости относительно оси руки (см. рис. 2.11, б). Предусмотрена также компоновка схвата с осью, перпендикулярной оси руки. Смещением осей в вертикальной и горизонтальной плоскостях 80
0J5Q
Рис. 2.11. Компоновки и рабочие зоны манипуляторов модификаций роботов «Ритм-01»; а — «Ритм-01.01»; б — «Ритм-01.02» с параллельным расположением осей рук; в — «Ритм-01.02» с перекрещивающимся расположением осей рук
и поворотом каждой руки в горизонтальной плоскости достига- ется компоновка манипулятора (рис. 2.11, в).
В третьей модификации манипулятора робота «Ритм-01.03» также отсутствует сдвиг руки, а рука по своему исполнению является двухстепенной и закреплена на специальном кронштейне. Число опорных точек по каждой из координат, кроме поворота руки (рук) вокруг вертикальной оси манипулятора, равно двум.
На основе анализа технологических позиций, подлежащих роботизации, и с целью расширения области применения робота рассматриваемой модели в конструкции манипуляторов предусмотрены три опорные точки при повороте руки (рук). Основные характеристики робота «Ритм-01» с учетом всех его модификаций приведены в табл. 2.1. Характеристики определялись для груза массой 0,1 кг. Конструктивные особенности всех модификаций ПР манипуляторов можно проследить по схеме манипулятора робота «Ритм-01.01» (рис. 2.12).
Механизм подъема и поворота является составной частью манипуляторов всех трех модификаций робота. Это сборная конструкция. Передача крутящего момента на планшайбу 31 осуществляется от пневмопривода через реечно-зубчатую 1 и шлицевую 2 передачи. Плавность подхода регулируемых по периферии планшайбы упоров 32 к крайним опорным точкам обеспечивает 81
Рис. 2.12. Схема манипулятора робота «Ритм-01.01»
неподвижно расположенное на корпусе 34 гидравлическое тормозное устройство. Настройка эффективности торможения осуществляется встроенным в устройство дросселем. Торможение в средней точке достигается при взаимодействии регулируемого упора 3 с гидравлическим устройством, срабатывающим от пневмопривода по команде от СПУ. На корпусах гидравлических устройств установлены датчики положения 4, 33, контролирующие окончание перемещений.
Для подъема-опускания планшайбы 31 совместно с корпусом 34 предусмотрен пневмопривод 35. При этом корпус 34 перемещается по направляющим 36. качения. Торможение и контроль окончания перемещений осуществляются аналогичным образом и с помощью тех же конструктивных решений, что и при повороте планшайбы 31.
Механизм сдвига закреплен непосредственно на планшайбе. Его корпус 5 со щток-поршнем 7 неподвижны. Каретка 28 со встроенным пневмоцилиндром 27 перемещается по направляющим 30 качения при подаче сжатого воздуха в соответствующие полости пневмоцилиндра, причем при подаче сжатого воздуха в левую полость пневмоцилиндра последний перемещается влево до регулируемого упора 6. Торможение обеспечивается внутренним пневматическим тормозным устройством с встроенным дросселем 29. При подаче сжатого воздуха в правую полость пневмоцилиндра каретка перемещается влево и, воздействуя через ры- 82
чажную систему 9 на пневматическое тормозное устройство 10, останавливается. Величина перемещений контролируется датчиками положения 8,11. Рука робота выполнена с использованием ряда проверенных решений, заложенных в конструкции рассмотренных ранее моделей роботов с цикловой СПУ и пневмоприводом. По направляющим 14 качения перемещается скалка 19 квадратного сечения. Внутри скалки в упор установлен вал 20 для передачи вращения на схват манипулятора. В правой части скалки смонтирован пневмопривод поворота 23 схвата. Поступательное перемещение поршня 24 со штоком 22 преобразуется во вращательное с помощью втулки 21, имеющей винтовую прорезь. Левая часть скалки связана со штоком-поршнем 16 пневмоцилиндра 18, закрепленного в корпусе 15 руки. Торможение при выдвижении (втягивании) скалки — гидравлическое.
Эффективность торможения достигается настройкой дросселя 13 на необходимый расход перетекаемого масла из одной полости тормозного устройства в другую и дросселями, вмонтированными непосредственно в пневмораспределители. Торможение осуществляется в конце хода поршня при утапливании упоров плунжеров 26 под действием регулируемых упоров 12, 25. Окончание перемещения скалки контролируется датчиками положения 17. Конструкция руки предусматривает применение клещевого и вакуумного схватов.
Силовой блок представляет собой автономный малогабаритный узел, в состав которого входят система подготовки воздуха и пневмораспределители.
Система подготовки воздуха включает малогабаритные влаго- отделитель, регулятор давления и маслораспылитель. В силовом блоке установлено восемь малогабаритных четырехканальных пневмораспределителей с условным проходом 3 мм. Каждый из них предназначен для распределения сжатого воздуха в полости соответствующих пневмоцилиндров приводов, осуществляющих транспортные и ориентирующие перемещения схвата (схватов), зажим-разжим схвата (схватов), срабатывание тормозного устройства на промежуточной точке при повороте руки (рук) вокруг вертикальной оси манипулятора.
В конструкции пневмораспределителей предусмотрены дроссели, запирающие выхлопные полости пневмоцилиндров с целью настройки рабочей скорости поршня.
Г л а в а О/
ВОПРОСЫ ПРОЕКТИРОВАНИЯ И ЭЛЕМЕНТЫ РАСЧЕТА МЕХАНИЧЕСКОЙ СИСТЕМЫ УНИВЕРСАЛЬНЫХ ПРОМЫШЛЕННЫХ РОБОТОВ
3.1. МЕХАНИЧЕСКАЯ система
Структура механической системы. И. И. Артоболевский и А. Е. Кобринский, основываясь на функциональной аналогии, условно разделили движения человека и робота на три типа: глобальные, региональные и локальные. В настоящее время глобальные движения ПР не мыслятся выходящими за пределы одного цеха, поэтому назовем их внутрицеховыми. Региональные движения, т. е. движения с помощью рук при неподвижном основании ПР, называются движениями переноса. Локальные движения, т. е. движения, совершаемые с помощью кистей рук, можно разделить на два функциональных подкласса: движения ориентирующие и операционные. Первые производят переориентацию объектов, т. е. поворот относительно одной, двух или трех взаимно перпендикулярных осей, без значительного переноса их центра тяжести. Вторые относятся к движениям, совершающим непосредственные технологические операции с объектами, и в первую очередь взятие и освобождение объектов, а также осуществление в локальной зоне некоторых перемещений с контролируемой траекторией, например рабочей подачи инструмента, которым оснащен ПР, поперечного сдвига захвата и т. п. В соответствии с такой классификацией механическая система ПР должна иметь в своем составе механизмы или кинематические группы для преимущественного осуществления одного из данных видов движения.
Кинематическая группа внутрицеховых движений представлена в настоящее время механизмами типа колесных тележек одно- или двухкоординатных. В будущем здесь возможно использование шагающих механизмов, являющихся в большей или меньшей степени структурным и конструктивным аналогом человеческих ног. Остальные кинематические группы механической системы ПР входят в состав манипуляторов, являющихся функциональным и структурным аналогом человеческих рук.
Рассматривая структуру манипулятора с функциональной точки зрения, можно заметить, что подобные по функциональному
назначению механизмы могут содержать и другие машины, например металлообрабатывающие станки. Однако для них эти функции не являются определяющими. Так, для металлообрабатывающих станков определяющей является функция формообразования, наилучшему выполнению которой полностью подчинена кинематическая структура станка. Для манипулятора функции переноса и переориентации объектов являются главными и в значительной степени определяют требования к его конструкции. Этой же функции подчинена и структура манипулятора как сложного машинного агрегата, которая включает в себя комплекс двигателей, передаточных механизмов и исполнительных звеньев. Исполнительные звенья объединены в исполнительную кинематическую цепь ИКЦ, особенностью которой является ее разомкну- тость, последовательное соединение звеньев между собой и с неподвижным звеном с помощью кинематических пар 5-го класса. Такая структура позволяет перемещать объекты на значительные расстояния при относительно небольших собственных габаритных размерах манипуляторов, но при этом определяет принципиально меньшую жесткость этих машин, по сравнению, например, со станками, а отсюда и значительно меньшую абсолютную точность, которая может быть достигнута при их работе.
Различные компоновочные решения манипуляторов определяются способами расположения двигателей относительно приводимых ими в движение звеньев ИКЦ- При некоторых вариантах та- когорасположения возникает большая или меньшая кинематическая зависимость между степенями подвижности манипулятора.
Рассмотренные выше особенности кинематической структуры в значительной степени определяют круг задач, возникающих при проектировании механической системы ПР; обеспечение максимально возможной жесткости механизмов при наибольшей компактности и минимальной массе; проектирование безлюфтовых передаточных механизмов (для увеличения жесткости и точности работы); проектирование кинематически независимых механизмов; проектирование уравновешенных механизмов (для уменьшения мощности, а следовательно, габаритов и массы исполнительных двигателей); повышение КПД передаточных механизмов; обеспечение самоторможения для механизмов статически неуравновешенных.
Анализ и выбор вариантов исполнительной кинематической Цепи. Звенья ИКЦ, сочленяясь, образуют, как правило, кинематические пары 5-го класса: поступательную прямолинейную и вращательную. Комбинации последовательно соединенных кинематических пар 5-го класса, отличающиеся как последовательностью чередования, так и взаимной пространственной ориентацией кинематических пар, создают многообразие вариантов структур ИКЦ. Часть ИКЦ, которая относится к кинематической группе операционных движений, носит специализированный характер, обычно не является неотъемлемой частью манипулятора
и может присоединяться к конечному звену в зависимости от специализации ПР. Часть ИКЦ, которая относится к кинематической группе ориентирующих движений, может содержать от одной до трех вращательных кинематических пар с взаимно перпендикулярными осями.
Манипуляторы с тремя ориентирующими степенями подвижности обладают универсальной ориентирующей способностью, т. е. могут ориентировать несимметричный объект произвольным образом. Подобные ориентирующие механизмы имеют фактически одну и ту же структуру ИКЦ — три последовательно соединенные вращательные кинематические пары с взаимно перпендикулярными осями.
Исполнительная кинематическая цепь кинематической группы движений переноса может содержать как вращательные, так и поступательные кинематические пары. Структура ИКЦ, определяемая последовательностью и взаимным расположением этих пар, влияет на такие параметры ПР, как форма и величина рабочего объема, собственные габаритные размеры манипулятора, а также площадь пола, потребную для его установки, возможность выполнения конкретных рабочих движений (последнее особенно важно для ПР с позиционной системой управления). Все это делает актуальными задачи перечисления, оценки и выбора вариантов кинематической структуры ПР.
На первый взгляд число различных вариантов кинематических структур, состоящих из двух элементов: вращательной кинематической пары В и поступательной прямолинейной пары П, выражается числом 2^, где п — число степеней подвижности манипулятора. Учитывая, что каждая из кинематических пар имеет ось, которая может быть различным образом ориентирована относительно базовых осей координат и осей предшествующих ей в ИКЦ кинематических пар, а также некоторый условный центр, который может не совпадать с центром предшествующей кинематической пары, двух элементов В и П недостаточно для комбинаторного описания множества возможных вариантов ИКЦ. При произвольном взаимном ориентировании кинематических пар количество вариантов компоновок становится бесконечно большим. Однако реальные конструкции манипуляторов выполняются в громадном большинстве случаев с ортогональным расположением осей соседних кинематических пар. При этом появляется возможность рассмотреть конечное число вариантов структур.
Задача перечисления вариантов кинематических структур может быть решена путем введения специального формального языка, в котором алфавит содержит ряд символов, каждый из которых соответствует одному из элементов ИКЦ, а грамматика представляет набор правил комбинирования этих символов. Определения некоторых используемых в дальнейшем понятий приведены в табл. 3.1.
3,1, Определение понятий, применяемых для описания кинематических структур
Понятие
Определение
n-координатная структура
Структура ИКЦ, в составе которой содержится п кинематических пар 5-го класса
Неподвижное звено кинематической пары
Звено кинематической пары, входящей в ИКЦ манипулятора, обладающее меньшей подвижностью относительно неподвижного звена
Подвижное звено кинематической пары
Звено кинематической пары, входящей в ИКЦ манипулятора, обладающее большей подвижностью относительно неподвижного звена
Заделка кинематической пары
Участок поверхности, на котором осуществляется постоянный контакт звеньев кинематической пары между собой
Ось поступательной кинематической пары
Прямая, совпадающая по направлению с перемещением подвижного звена пары и проходящая через геометрический центр поперечного сечения заделки
Ось вращательной кинематиче- ской пары
Длина заделки кинематической пары
Ось взаимного вращения звеньев пары
Отрезок прямой, параллельный оси кинематической пары, равный расстоянию между крайними точками заделки. В том случае, если при взаимном изменении положения звеньев пары длина заделки меняется, под длиной заделки понимается ее минимальная величина
Центр кинематической пары
Точка на оси кинематической пары, находящаяся посередине длины заделки
Однонаправленные кинематические пары
Разнонаправленные кинематические пары
Рабочая точка звена
Кинематические пары с совпадающими или параллельными осями
Кинематические пары с пересекающимися или скрещивающимися осями
Точка подвижного звена данной кинематической пары ИКЦ, совпадающая с центром последующей кинематической пары или являющаяся точкой крепления операционного механизма
Длина подвижного звена кинематической пары
Рабочая точка манипулятора
Расстояние между центром кинематической пары и рабочей точкой его подвижного звена Конечная точка ИКЦ, к которой крепится захватное устройство или другой операционный механизм
Рабочий объем манипулятора
Пространство, образуемое множеством всех возможных положений рабочей точки манипулятора
Рис. 3.1. Дерево трехкоординатных структур ИКЦ кинематической группы движений переноса
Нумерацию кинематических пар в ИКЦ условимся вести от неподвижного звена манипулятора. Кинематическую пару ИКЦ, в которую входит неподвижное звено, будем называть первой кинематической парой данной цепи.
Для того чтобы структура ИКЦ могла быть записана, необходимо определить положение в пространстве центров всех кинематических пар относительно центра первой кинематической пары и ориентацию осей всех кинематических пар цепи относительно оси первой кинематической пары.
Второе условие для манипуляторов с ортогональным расположением осей кинематических пар может быть выполнено путем введения символической записи, включающей комбинацию шести символов, обозначающих кинематические пары как элементы кинематической структуры (рис. 3.1): П, В, ГГ, В', П", В", где П и В — обозначения соответственно поступательной и вращательной кинематических пар, являющихся либо первыми парами в ИКЦ, либо однонаправленными с предыдущей кинематической парой цепи; 77' и В' обозначают кинематические пары, оси которых перпендикулярны оси предыдущего элемента в ИКЦ, но параллельны оси элемента, ему предшествующего; /7" и В” обозначают кинематические пары, оси которых перпендикулярны к осям двух предыдущих, обязательно разнонаправленных элементов. Так как угол вращения кинематических пар в манипуляторах, как правило, ограничен, ориентация элемента В определяется в среднем (нейтральном) положении подвижного звена.
Вращательная кинематическая пара может осуществлять либо только изменение ориентации манипулируемого объекта (в том случае, когда центр тяжести объекта лежит на оси пары), либо одновременный его перенос, величина которого зависит от радиуса вращения. Для символического обозначения второго случая введем в алфавит предлагаемого языка еще два символа [Л'] и Ш"К обозначающих геометрические элементы кинематической структуры и соответствующих радиусу вращения рабочей точки подвижного звена элемента В. В этом случае вращательная пара будет обозначаться комбинацией двух символов: В Ш' 1 или В [Л"1 в зависимости от ориентации подвижного звена относительно осей предыдущих элементов структуры. Таким образом, имеем всего восемь элементов структуры, различные последовательности которых определяют возможные варианты кинематических структур.
Установим еще некоторые правила комбинирования символов, позволяющие уменьшить количество рассматриваемых вариантов структур. Элементы [Л'1 и [Л"] будем ставить только после вращательных пар, т. е. элементов В, В' и В", так как постановка этих элементов после поступательных пар или самих геометрических элементов приводит лишь к смещению начала отсчета в пространстве и не меняет геометрических свойств структуры.
Последовательности одноименных символов ЛЛ, П'П, П"П, В'В, В"В и ВВ считаются запрещенными, так как их фактически можно заменить одним элементом без изменения геометрических свойств структуры. Из двух эквивалентных последовательностей ВП и ПВ (соответствующих цилиндрической кинематической паре) первую считаем запрещенной. Структура части ИКЦ, относящейся к кинематической группе движений переноса, не должна оканчиваться на элементы В, В' и В", так как они не могут совершать переноса объекта.
Пользуясь этими ограничениями, построим граф всех возможных вариантов кинематических структур, который будет иметь вид дерева. Число однокоординатных, т. е. с одной кинематической парой, структур будет равно двум: П и В [Л'1. Каждая из этих однокоординатных структур может быть развита путем добавления к ним элементов из числа перечисленных выше восьми: П, В, П', В', П", В” [Л'1 и [Л"], причем должны исключаться все запрещенные последовательности, указанные выше. В результате получаем дерево двухкоординатных структур с 16 различными вариантами. Дерево трехкоординатных структур содержит 172 различных варианта построения ИКЦ. Такое множество вариантов ставит вопрос об обоснованном выборе типа кинематической структуры для ПР.
Та или иная структура кинематической группы движений переноса представляет собой как бы модель той или иной системы координат. Для двухкоординатных структур структура ПП' является Моделью прямоугольной системы координат, структура ВП' — полярной системы координат. Другие структуры тоже можно
89
рассматривать как различные системы координат, отличающиеся от общепринятых, однако также позволяющие задавать положение точки на плоскости или какой-либо другой поверхности. С этой точки зрения все приведенные выше двухкоординатные структуры являются равноправными. Для того чтобы ПР мог совершать движения в пространстве по заданной программе, ему предварительно должны быть заданы координаты конечных точек движения и траектории движения между этими точками. Задание удобнее всего производить в общепринятых системах координат и, следовательно, для манипуляторов, имеющих структуру кинематической группы движений переноса, моделирующую одну из таких систем координат. Все другие структуры требуют более или менее сложных преобразований координат, что значительно усложняет процесс задания программы перемещений. С этой точки зрения наиболее приемлемыми являются структуры ПГТ и ВП'. Несколько менее удобными являются структуры В [ГТ] В' [ГТ] и В [/7'1 В' [ГТ], у которых прямолинейное движение рабочей точки второго звена может быть задано относительно простым способом — путем одновременного вращения в противоположные стороны в обеих кинематических парах. Благодаря этому можно считать такие структуры также моделью полярной системы координат. Все другие структуры требуют значительно более сложных преобразований координат при задании перемещений.
Переходя к пространственным перемещениям, можно сформулировать к структурам кинематической группы переноса следующее требование: они должны также моделировать общепринятые системы координат (прямоугольную, цилиндрическую и сферическую). Общим для всех этих систем координат является то, что рабочая точка последнего звена структуры должна иметь возможность прямолинейного перемещения. Это означает, что символическая запись структуры должна оканчиваться либо элементом П (или П', /7"), либо сочетанием вида В Ш'А В' [/7'1 (или В [77'] В’ [П"], В Ш"А В' [77'1, В \П"] В [П"]).
Рассматривая дерево кинематических структур по внешнему виду символической записи, выделим все структуры, удовлетворяющие этому требованию. Для части этих структур рабочая точка последнего звена имеет возможность перемещаться только в плоскости или какой-либо другой поверхности, т. е. они не могут обслуживать рабочего объема. После отбраковки этих структур остается всего 50 вариантов построения ИКЦ кинематической группы движений переноса. После графического построения этих структур было выявлено, что только 18 из них соответствуют прямоугольной, цилиндрической или сферической системам координат.
Одной из важных технологических характеристик ПР служит величина рабочего объема, зависящая в значительной степени от вида кинематической структуры манипулятора. Как уже говорилось выше, перенос объектов в кинематической группе движений 90
Рис. 3.2. Однокоординатные кинематические структуры: д — вида В [/7'1; б — вида ПРис. 3.2. Однокоординатные кинематические структуры: д — вида В [/7'1; б — вида П
Рис. 3.2. Однокоординатные кинематические структуры: д — вида В [/7'1; б — вида П
Рис. 3.2. Однокоординатные кинематические структуры: д — вида В [/7'1; б — вида П
переноса осуществляют с помощью двух однокоординатных струк- тур П и В [ГТ 1 (рис. 3.2). Для того чтобы создать основу сравнения между собой различных кинематических структур, примем следующие условные параметры элементов: величина хода поступательных пар П, ГТ и П" равна длине элементов \П'А и \П"А и обозначается через а; величины заделок поступательных и вращательных кинематических пар равны а/З; угол действия вращательных пар равен л. При этих условиях собственно объемы и относительные жесткости структур П и В \ГГ ] приблизительно равны между собой и условно могут быть приняты за единицу.
Принятые величины параметров элементов кинематических структур позволяют сравнить между собой различные варианты ИКЦ манипуляторов по величине рабочего объема, безотносительно к их конкретному конструктивному воплощению.
Габаритные размеры и жесткость манипуляторов также являются функцией кинематической структуры. При принятых постоянных параметрах элементов структуры габаритные размеры и объем манипулятора тем больше, а жесткость тем меньше, чем больше в структуре содержится унифицированных нами элементов П и В \П* ]. Это позволяет ввести понятие удельного рабочего объема структуры Ку, который представляет собой отношение рабочего объема структуры к числу элементов П и В \П' ], содержащихся в рассматриваемой структуре. Ку может быть определен как рабочий объем кинематической структуры, собственные габаритные размеры и жесткость которой приведены к некоторой условной единице. Естественно, что при переходе от идеализированной кинематической структуры к реальной конструкции манипулятора величина рабочего объема может меняться в большую или меньшую сторону, в зависимости от того, насколько отличаются реальные параметры звеньев ИКЦ от условно принятых. Тем не менее величина Ку может характеризовать эффективность различных структур по величине рабочего объема при прочих равных условиях.
В табл. 3.2 приведены кинематические схемы, формы и величины рабочих объемов, а также параметр Ку для 18 отобранных кинематических структур. Удельный рабочий объем Ку возрас-
3.2. Трехкоординатные кинематические структуры
У и р 5 та н и ® ®
S 2 SO Си
U о и
Модель робота
Кинематическая схема
Форма рабочей зоны
Рабочий объем
vy
та та
«Versaweld» фирмы «Howker Siddeley» (Англия)
а3
0,33
та та та
«Versatran» фирмы «АМР»
(США)
а
6
"у
2а3
1
та
та
та та
«Matbac
RC-ЗО» фирмы «Tokio
Keiki» (Япония)
а
аба
Г
13 „
5а3
1,67
та
та
та
та
та
li
Ч с
6а3
2
та
та
та
та
та
«Daikabol» фирмы «Daido Steel»
(Япония)
1
У
а
кЗ^ж^хх!
6а8
2
92
Продолжение табл. 3.2
и "
2 S “ is^ U о и
Модель робота
Кинематическая схема
Форма рабочей зоны
Рабочий объем
VY
та
та та
«Meehan ikal Arm» фирмы «Muschamp» (Англия)
а
li
Л/! W
\ \ Чаг
3,5а3
3,5
та.
та
та
та та
v^S^V“\\ ^^Гчк
22а3
11
631-
1
та
та
та
та
та
«Trallfa» фирмы «Devilibis» (Норвегия)
16а3
8
та
та
та та
«Unimate» фирмы «Unimation» (США)
а ^
/^^^ХХ -^- а.
17а3
8,5
та
та
та
та та
«1АХ
ROBOT» фирмы «Tokio Reiki» (Япония)
4"
VA^v^J/
18а3
9
93
Продолжение табл. 3.2Продолжение табл. 3.2Продолжение табл. 3.2Продолжение табл. 3.2Примечание. Величина рабочего объема даиа приблизительно.Примечание. Величина рабочего объема даиа приблизительно.
Продолжение табл. 3.2
Продолжение табл. 3.2
Продолжение табл. 3.2
Продолжение табл. 3.2
Примечание. Величина рабочего объема даиа приблизительно.
Примечание. Величина рабочего объема даиа приблизительно.
тает с увеличением числа вращательных кинематических пар в трехкоординатной структуре. Он минимален и равен 0,33 при их отсутствии, не превышает 1,67 при наличии одного элемента В, при двух вращательных парах может достигать 8,5, а при трех достигает И. При оценке различных структур главными были приняты рабочий объем и форма рабочей зоны — геометрические параметры, которые существенно влияют на степень технологической универсальности ПР. Это определило подход к выбору ограничений, накладываемых на комбинирование элементов структур. Предложенный подход основан на том, что практически углы поворота во вращательных шарнирах ПР ограничены, ввиду чего имеются нейтральные (средние) положения звеньев кинематиче-
ской цепи. Это обстоятельство позволяет фиксировать ориентацию осей вращательных кинематических пар не только в плоскости, но и в пространстве.
Любая из структур, приведенных в табл. 3.2. универсальна и равноправна в том смысле, что система связей ЖЦ не накладывает ограничений на движение рабочей точки внутри некоторого объема и эти движения могут совершаться по любым произвольным траекториям. Однако, если мы подойдем к вопросу способа задания этих траекторий, то окажется, что система управления, которая должна осуществить заданный вид траектории, будет иметь существенно различную сложность в зависимости от того, как эти траектории соотносятся с конкретной ЖЦ. Так, наиболее просто осуществить такие движения,траектории которых совпадают с перемещением по одной из координат. Наиболее сложным будет осуществление траекторий с одновременным перемещением по трем координатам, так как при этом требуются постоянные вычисления, согласующие систему координат структуры ЖЦ с системой координат, в которой задается траектория. Сложность таких вычислений существенно различна для различных структур И КД. Таким образом, на выбор того или иного варианта кинематической структуры оказывают влияние помимо геометрических факторов, связанных с объемом и формой рабочей зоны, также вид траекторий перемещения рабочей точки ПР на конкретном технологическом участке и возможности системы управления.
В большинстве современных конструкций ПР применяют позиционные СПУ. Это означает, что возможности осуществления перемещений с контролируемой траекторией ограничиваются для них перемещениями по одной координате. Таким образом «универсальность» большинства трехкоординатных структур оказывается бесполезной при применении позиционных систем управления, и в этом случае для выполнения конкретной работы требуется зачастую применение также конкретной структуры ИКЦ манипулятора. Этим объясняется довольно большое разнообразие трехкоординатных структур механизмов переноса существующих моделей ПР. Структура ИКЦ часто связана с основной технологической задачей ПР. Так, ПР для холодной штамповки, как правило, имеют структуру, работающую в цилиндрической или в прямоугольной системе координат (см. структуры № 1 и 2 в табл. 3.2). Такая структура диктуется кинематикой рабочих процессов штамповки и цикловой системой управления. Роботы для нанесения покрытий чаще всего выполняются с шарнирно-сочлененной рукой (структура № 8, контурное управление с записью по первому циклу). Роботы для дуговой сварки, как правило, имеют структуру № 1 с перемещениями в декартовой системе координат, чем облегчается расчет траекторий в системе управления. Роботы, обслуживающие металлорежущее оборудование, работают либо в цилиндрической, либо в сферической системе координат (структуры № 2, 3, 9, 12), что связано с необходимостью обслужива- 96
рис. 3.3. Четырех- и пятикоординатные структуры ИКЦ промышленных роботов: а _ «Kawasaki-Unimate 5030»; б — «Robutus RA»; в — «Универсал-5»; г — «Уннвер- сал-15»
ния большой рабочей зоны для размещения максимального числа единиц обслуживаемого оборудования и т. д. Могут встретиться такие случаи, когда трех координат в кинематической группе движений переноса недостаточно.
Это является причиной появления ПР с четырех- и пятикоординатными структурами кинематической группы движений переноса. К их числу относятся, например, такие широко известные модели, как «Kawasaki-Unimate 5030» (Япония) с четырехкоординатной (рис. 3.3, а) и «Robitus RA» с пятикоординатной (рис. 3.3, б) структурами кинематической группы движений переноса.
Четырехкоординатные структуры имеют и отечественные роботы «Универсал-5» (рис. 3.3, в) и «Универсал-15.01» (рис. 3.3, г) [А. с. № 446412 (СССР)]. Структура ПВ \П' ] В'ГТ робота «Универсал-5» фактически моделирует цилиндрическую систему координат, начало отсчета которой перемещается по дуге некоторого радиуса [А. с. № 372885 (СССР)]. Такая структура позволяет в локальных зонах обслуживания перемещать руку в горизонтальной плоскости по прямым произвольного направления, в частности по параллельным прямым. Это дает возможность значительно увеличить область использования манипулятора, например работать с ячеистой тарой прямоугольной формы и т. п.
Модульный принцип проектирования. Использование в механизмах переноса трехкоординатных структур при современном уровне развития систем управления не обеспечивает ПР достаточного уровня технологической универсальности. Несколько улучшает эту характеристику применение четырех- и пятикоординатных структур, однако этот путь чреват целым рядом нежелательных последствий, таких как увеличение стоимости, габаритных размеров и массы ПР, уменьшение жесткости и, как следствие, ухудшение таких основных характеристик, как точность и быстродействие.
Наиболее естественным решением возникшей проблемы является разработка и применение системы конструктивных модулей, которая позволит без значительных затрат и усилий собирать ПР с любой требуемой в конкретной производственной ситуации структурой ИКЦ [44]. Такая система позволила бы применять ПР
4 Шифрин Я. А. и др 97
без избыточных способностей, с оптимальными характеристиками и максимальной эффективностью.
Под промышленным роботом модульной конструкции понимаем робот, число степеней подвижности и кинематическая структура которого выбираются из конкретных условий применения и обеспечиваются соответствующим соединением конструктивных модулей. Конструктивный модуль — это функционально и конструктивно независимая единица, которая может использоваться как индивидуально, так и в различных комбинациях с другими модулями. Конструктивный модуль, как правило, содержит приводные средства и механизмы, а также энергетические и информационные коммуникации, обеспечивающие одну или несколько степеней подвижности ПР.
Соединение модулей между собой происходит с помощью унифицированных стыковочных поверхностей и унифицированных разъемов энергопитания и не требует никаких дополнительных проектных или монтажных работ, кроме операции сочленения. После соединения полученной таким образом сборки с помощью унифицированного разъема с системой управления робот готов к работе. Благодаря этому отпадает необходимость в наличии специальной документации для каждой компоновки, и создание новых компоновок ПР передается целиком в руки потребителя.
Следует отметить, что поставленная в таком виде задача решается впервые, и ни одна из конструкций зарубежных модульных ПР не отвечает сформулированным требованиям.
Промышленный робот модульного типа разрабатывается в виде набора автономных модулей, из которых могут быть легко и быстро собраны манипуляторы с различными кинематическими структурами и числом степеней подвижности в строгом соответствии с конкретными технологическими требованиями. В случае прекращения функционирования данного производственного участка для робота модульного типа легче найти другую работу, чем для универсального, так как структура робота может быть легко изменена в соответствии с изменившимися требованиями.
Принцип модульности имеет и другие существенные преимущества. Так как каждый модуль представляет собой законченный машинный агрегат, относительно более простой, чем универсальный манипулятор, то упрощается сборка и доводка таких модулей. Это позволяет увеличить надежность как отдельных модулей, так и собираемых из них манипуляторов. Модульный принцип позволяет неограниченно развивать конструкцию манипуляторов путем разработки новых и переработки старых модулей.При этом переход на выпуск новых моделей ПР может происходить постепенно и безболезненно для производства. Состав системы конструктивных модулей определяется технологическими требованиями к геометрическим характеристикам перемещения объектов производства, а также некоторым особенностям кинематической структуры манипуляторов. К числу последних относятся: различие в конструкции 98
кинематических пар ИКД, работающих в горизонтальной и" в 'вертикальной плоскостях, что связано с отсутствием или наличием гравитационной нагрузки на привод, а таг же с разницей в величинах и скоростях перемещений; неодинаковое нагружение механизмов, находящихся в различных частях ИКЦ манипулятора (механизмы, находящиеся ближе к неподвижному звену, более нагружены); разница в конструкции вращательных кинематических пар в механизмах переноса и ориентации.
Кроме того, на состав системы модулей влияет используемый тип привода основных движений. При гидравлическом приводе с использованием в качестве двигателей поступательных и роторных цилиндров возможна разработка системы, в которой каждый модуль обладает одной степенью подвижности. По такому принципу выполнен, например, модульный робот RC (Япония) [55]. Однако при применении электрического следящего привода для ПР большей грузоподъемности, каким является РПМ-25, становится затруднительным выполнить универсальный ориентирующий механизм из отдельных модулей, так как в этом случае на кисти манипулятора должны размещаться тяжелые и громоздкие электродвигатели, редукторы, датчики обратной связи. Это привело бы к значительному утяжелению конечных звеньев ПР и к резкому снижению его грузоподъемности, быстродействия, динамической точности и др.
Поэтому для модульного ПР со следящим электроприводом целесообразно выполнять ориентирующие степени подвижности в виде модулей руки, которая в зависимости от требуемой степени универсальности снабжена одним, двумя или тремя ориентирующими механизмами. Такие модули могут быть выполнены, например, по кинематической схеме, показанной на рис. 1.32. В этом случае рука выполняется из конструктивных блоков, различное число которых и различные их комбинации позволяют собирать модуль — руку с одной, двумя и тремя степенями подвижности.
Модули, относящиеся к кинематической группе движений переноса, могут быть выполнены однокоординатными. При этом совместное рассмотрение всех факторов, влияющих на выбор системы модулей, приводит к необходимости разработки трех модулей прямолинейного перемещения (поперечного сдвига, подъема и радиального хода) и двух модулей вращательного перемещения (поворота и качания). Для обеспечения шарнирно-сочлененной структуры ПР предусмотрен один двухкоординатный модуль — модуль двойного качания. Внутрицеховые перемещения осуществляются с помощью двух модулей подвижного основания — напольного и подвесного. Таким образом, предполагается, что система будет состоять из 11 модулей основных движений ПР.
Типы приводов. Привод робота можно определить как устройство для преобразования сигналов, поступающих от системы управления, в механическое перемещение исполнительных звеньев.
д* 99
Рис. 3.4. Структура привода промышленного робота
Структурно это устройство содержит в себе ряд преобразователей энергии (рис. 3.4).
Ниже будут рассмотрены управляющие элементы привода. Привод в значительной степени определяет структуру и параметры как системы управления, так и механической системы МС. Прежде чем приступить к конструированию ПР, необходимо выбрать тип привода его основных движений. Для решения задачи выбора типа привода представляются существенными следующие признаки классификации приводов: по виду энергоносителя, по виду исполнительных двигателей, по способу управления, по способу регулирования поступающей и отводимой от механической системы энергии.
По виду энергоносителя в настоящее время различаются следующие типы приводов: электрический, пневматический, гидравлический и их комбинации. Не вдаваясь в подробный анализ преимуществ того или иного типа привода, которому посвящено большое количество публикаций, рассмотрим только некоторые основные особенности, существенные для использования в роботах. При наличии централизованной пневмосети на первое место выступают такие преимущества пневмопривода, как дешевизна, конструктивная простота, высокая надежность, пожаробезопасность. Основной недостаток пневмопривода — трудность реализации следящего привода из-за высокой сжимаемости энергоносителя. Поэтому пневмопривод используется главным образом в ПР с цикловым управлением (с позиционированием исполнительных звеньев по жестким регулируемым упорам). Другой недостаток пневмопривода связан с ограничением давления энергоносителя равным (39—49)-104 Па, что приводит к большим, чем у ПР с гидроприводом, габаритным размерам исполнительных двигателей, 100
Осуществление следящего привода для ПР с программируемыми перемещениями возможно как на базе электрического, так и гидравлического приводов. Однозначного решения о преимуществе того или другого типа привода в настоящее время не существует.
Основные преимущества электропривода перед гидроприводом — простота обслуживания, отсутствие утечек масла, высокий КПД, отсутствие дополнительных преобразователей энергии в виде гидростанции, более низкий уровень шума. Преимуществами гидропривода являются компактность и малая масса исполнительных двигателей, низкая постоянная времени и более простое управление маломощными электрогидравлическими преобразователями по сравнению с мощными электромоторами постоянного тока.
По виду исполнительных двигателей можно различать: приводы с двигателями поступательного прямолинейного перемещения (гидроцилиндры, пневмоцилиндры, линейные электродвигатели); приводы с вращательными малооборотными двигателями (роторные гидро- и пневмоцилиндры, радиально-поршневые гидромоторы; приводы с высокооборотными вращательными двигателями (электродвигатели, аксиально-поршневые гидромоторы, пневмодвигатели). Приводы первых двух типов в некоторых случаях могут соединяться с исполнительными звеньями вообще без помощи передаточных механизмов, т. е. непосредственно или с помощью компенсирующих муфт. При этом конструкция механической системы значительно упрощается. Приводы третьего типа требуют обязательного наличия редукторов для согласования скоростей движения и силовых характеристик ведущих валов двигателей и исполнительных звеньев.
По типу управления можно различать: 1) разомкнутые приводы с позиционированием по жестким механическим или другого вида упорам; для этих приводов характерно использование цикловых систем управления, так как в этом случае величина перемещения не программируется, а устанавливается заранее регулировкой упоров; 2) разомкнутые приводы с цифровым управлением, где в качестве двигателей могут быть использованы шаговые электромоторы или составные цилиндры (позиционеры); 3) следящие приводы, замкнутые, с обратной связью по положению, а также по некоторым другим параметрам (скорости, силе и др.). В настоящее время в ПР чаще всего используют следящие гидропривод и электропривод постоянного тока. Эти приводы пригодны как для позиционных, так и для контурных систем управления.
По способу регулирования поступающей и отводимой от механической системы энергии можно различать приводы: активный и пассивный [ 191. В активном приводе регулируются активные силы, задаваемые двигателем, в пассивном приводе — силы, отбираемые °т механической системы (тормозные силы). Большинство исполь^ зуемых в настоящее время в ПР приводов являются активными. К пассивным можно отнести приводы ЦИКЛОВЫХ ПР; В которых для
отбора мощности из системы используются демпферы различных конструкций. Примером регулируемого пассивного привода является привод робота РМ-12 фирмы РАТ-12 (ФРГ) [50], где отбор мощности от системы осуществляется регулируемым электромагнитным тормозом, который через передачи связан со штоком пневмоцилиндра, являющегося двигателем привода. Применение пассивного привода может служить способом увеличения его жесткости, так как регулируемые тормоза могут быть установлены непосредственно на звеньях ИКЦ, жестко связывая их между собой и устраняя влияние податливости элементов привода на общую жесткость манипулятора. Однако это улучшение характеристик достигается за счет усложнения конструкции механической системы.
При выборе типа привода должен подвергаться совместному рассмотрению ряд факторов, связанных с предполагаемым функционированием ПР. К ним относятся назначение ПР, его технические характеристики, условия эксплуатации, характеристики объектов, с которыми ПР должен взаимодействовать, целый ряд факторов технико-экономического характера, таких как простота и технологичность конструкции, стоимость комплектующих материалов, простота и периодичность обслуживания и ремонта, энергоемкость и др. Немаловажную роль при выборе типа привода играет также наличие тех или иных комплектующих изделий и их качество. Наконец, выбор типа привода должен происходить совместно с определением типа и структуры системы управления.
Применение пневматического привода для ПР с программируемыми перемещениями в настоящее время очень ограничено. В качестве примера можно привести робот РС-3, с применением составных дискретных пневмоцилиндров, упоминающийся выше робот РМ-12 с позиционным управлением на основе пневмопривода с управляемым электрическим тормозом и робот МП-8, где торможение осуществляется подачей противодавления в выхлопную полость пневмоцилиндра, а удержание двигателя в запрограммированных позициях обеспечивается специальным пневматическим тормозом [50].
Для большинства универсальных ПР применяются гидро- или электропривод. При этом возможны два варианта: разомкнутый шаговый привод и замкнутый следящий привод. Шаговый привод может быть либо чисто электрическим, как это имеет место в роботе «Sundsdrand» (США), либо электрогидравлическим, когда маломощные электрические шаговые двигатели вращают золотник гидроусилителей крутящих моментов, например в ПР СМ40 и УМ160 [1] и ИЭС-1 135]. Вопрос о выборе разомкнутого или замкнутого типов приводов решается разработчиками системы управления. Эксплуатационные качества обоих типов приводов равноценны. Оба типа позволяют создавать как позиционные, так и контурные системы управления. Отметим, что разомкнутый привод подвержен накоплению ошибок позиционирования из-за случайных пропусков импульсов, а организация обучения ПР по 102 '
У , 3.5. Схема манипулятора, работа удёго в сферической системе координат
первому циклу — сложнее, чем у ПР со следящим' приводом. В большинстве универсальных ПР используется следящий привод, замкнутый по положению, В отечественных конструкциях ПР используются как электропривод постоянного тока («Универсал-5», РПМ-25), так и следящий гидропривод («Универсал-15.06») и комбинированный электрогидропривод («Универсал-15.01», «Универсал-60»).
Энергетические характеристики привода. После выбора типа привода ПР и, следовательно, вида исполнительных двигателей важной задачей является определение потребной
ющий выбор его конкретной модели. Точное определение мощности привода на стадии проектирования не представляется возможным ввиду отсутствия точных значений массы звеньев и координат их центров тяжести. Поэтому на стадии проектирования необходимо сделать ряд допущений и приближений, которые тем не менее позволяют достаточно хорошо оценить величину мощности привода.
Рассмотрим в качестве примера манипулятор, работающий в сферической системе координат (рис. 3.5). В техническом задании на проектирование задаются обычно следующие параметры: т — грузоподъемность или масса переносимого груза, кг; г — максимальный радиус действия, м; q>, S — пределы перемещения груза по координатам, рад или м; ю, у — номинальная скорость перемещения груза по координате, с1 или м/с.
Мощность двигателя поворотной координаты
Мв=-^-(Мн+Л1и),(3.1)
где Мп — момент неуравновешенности, возникающий от неуравновешенных масс (включая переносимый груз) относительно оси вращения, Н-м; 7ИП — динамический момент, возникающий в периоды разгона и торможения, Н-м; ц — КПД передач, связывающих двигатель с исполнительным звеном. Динамический момент
MH = JH6,(3.2)
где е — угловое ускорение, м/с2; Ju — момент инерции вращающихся частей манипулятора, кг-м2.
Для оценки динамического момента сделаем следующие допущения: закон изменения скорости по координате — трапецие- дальный, т. е. разгон и замедление происходят с постоянным ускорением; длина пути разгона фр (Sp) равна длине пути замедления фт (ST) и составляет некоторую часть общего пути перемещения Ф (5): фр = Фт = К1Ф-
Величину коэффициента Ki определим исходя из следующего. При заданной скорости (со, и) перемещений по координате быстродействие будет тем больше, чем меньше Kv Но слишком малая величина К, вызовет большие динамические перегрузки на механизмы привода, что приведет к преждевременному выходу из строя ПР. Зададимся допустимой величиной таких перегрузок, равной 1,5. При этом максимальная величина ускорения переносимого груза и элементов конструкции ПР не превышает g(2, или 5 м/с2.
Для привода ПР с линейным перемещением на 1 м, скоростью 1 м/с длина пути разгона Sp = -|- (—-) = 0,1 м, a Ki = SP'S = = 0,1. Этим значением Ki будем пользоваться в дальнейшем при ориентировочных расчетах мощности.
Ускорение, выраженное через параметры, заданные в техническом задании, имеет вид
Момент инерции
= Зг + Лг =(3.4)
где J, = mr2 — момент инерции от максимального переносимого ПР полезного груза на максимальном радиусе вращения; 3 w — момент инерции вращающихся частей манипулятора при максимальном радиусе переноса; Кг — коэффициент конструкции.
По результатам расчетов для существующих конструкций роботов «Unimate», «Универсал-50», «Универсал-15.01» коэффициент К2 = 1,8-т-2,3.
Примем К2 = 2. Подставляя значения величин из формул (3.3) и (3.4) в формулу (3.2), получим выражение для динамического момента:
(3.5)(3.6)мо-оси(3.5)(3.6)мо-оси К2тг2ш2
(3.5)
(3.6)
мо-
оси
(3.5)
(3.6)
мо-
оси
Момент неуравновешенности
Мн = Kamgr sin ос, где Ку = -^коэффициент конструкции, учитывающий мент неуравновешенности подвижных частей относительно
вращения; ос — угол наклона плоскости вращения к горизонтали. 104
рнС 3.6. Расчетная схема механизма радиального хода
Подставляя формулы (3.5) и (3.6) в формулу (3.1), получим выражение для расчета мощности привода вращательных координат:
,,шгт / К» гш2 . ,,.\
(3.7)
Для механизма вращения руки относительно вертикальной оси 0Z ос = 0. При значениях Кг = 0,1 и К» = 2 получим мощность, Вт
1Отг2оэ3
BZТ]ф
(3.8)(3.8)10/ г^ 1 \10/ г^ 1 \(3.9)(3.9)Для механизма качания руки относительно горизонтальной оси ОХ ос = 1,57 рад. Принимая Кз = 1 (механизм манипулятора уравновешен без груза), получим мощность, Вт
(3.8)
(3.8)
10/ г^ 1 \
10/ г^ 1 \
(3.9)
(3.9)
Для координаты с прямолинейным поступательным движением мощность привода
(3.10)
где Ри — инерционная сила, действующая на привод в период разгона и замедления, Н; Ри — сила, действующая на привод от неуравновешенных масс (в том числе переносимого груза), Н.
На рис. 3.6 показана расчетная схема механизма радиального выдвижения руки робота, для которой
Ри = К4т.а,(З.Н)
где Kv — коэффициент конструкции, учитывающий массу подвижных частей манипулятора; Кх — mjm (здесь тп — общая масса перемещающихся частей).
Рассуждая аналогично случаю с вращательной координатой, найдем выражение для линейного ускорения а и инерционной силы Р^.
2KtS ’" " 2Кг8 -ld l 1
Сила Р„ возникает от массы перемещающихся частей манипулятора. Наихудший вариант нагружения привода — при максимальном угле наклона а к горизонтали
(3.13)105(3.13)105P^ = mug sin а = K4mg since.
(3.13)
105
(3.13)
105
Мощность прямолинейного движения
м К4ит / 1 у2ч
(3.U)(3.U)^1= —+ gSinaJ.
(3.U)
(3.U)
Для приводов с горизонтальным перемещением а = О, например, для манипуляторов, работающих в цилиндрической системе координат. Тогда при К, = 0,1 и /<t 2
(3.1S) а = 1,57 рад (3.16)(3.1S) а = 1,57 рад (3.16) Юти3
(3.1S) а = 1,57 рад (3.16)
(3.1S) а = 1,57 рад (3.16)
Для приводов с вертикальным перемещением
Если в качестве привода выбран высокооборотный двигатель, то возникает проблема выбора передаточного числа механизма, связывающего двигатель с исполнительным звеном. В том случае, если в приводе преобладают неуравновешенные нагрузки, передаточное число
Л1дг)Л1дг)(3.17)
Л1дг)
Л1дг)
где /Ид — момент на валу двигателя.
В том случае, если в приводе значительную роль играют динамические нагрузки, появляется возможность значительного варьирования передаточного числа. При этом с увеличением i быстро уменьшается приведенный к валу двигателя момент инерции нагрузки и, следовательно, уменьшается время разгона до номинальных оборотов и торможения до нуля. Вместе с этим уменьшается номинальная скорость установившегося движения исполнительного звена. При уменьшении i скорость установившегося движения растет, но время разгона и торможения увеличивается. В связи с этим возникает задача выбора оптимального I, при котором время перемещения груза по координате было бы минимальным.
Для решения этой задачи необходимо знать полное время перемещения груза по координате. Рассмотрим сначала вращательную координату. Время поворота исполнительного звена на некоторый угол
(3.18)(3.18)/ - О^д+^^дЕФ^динП44динЮ12т]
(3.18)
(3.18)
где 7Д — момент инерции вращающихся частей двигателя с учетом приведенного к валу двигателя момента инерции редуктора; JH — момент инерции нагрузки, т. е. момент инерции исполнительного звена плюс момент инерции полезной нагрузки; wn — угловая скорость вала двигателя; Л4дт[ — динамическая составляющая момента на валу двигателя.
106
Принимая в формуле (3.18) в качестве переменной величину I, можно найти такое его значение, при котором ^ будет минимальным. Оптимальное по быстродействию передаточное число редуктора, связывающего двигатель с исполнительным звеном,
. ‘--"У (3J9>
Формула (3.19) справедлива только для трапецеидального закона перемещения, характерного для приводов, в которых приведенный момент инерции нагрузки превышает собственный момент инерции двигателя. Поэтому при расчете по формуле (3.19) следует проверять отношение ^ML, где j^ ijp — момент инерции привода. В том случае, если оно меньше единицы, подсчитывать передаточное число следует по формуле:
i - VX" (3'20)
Так как ПР в процессе работы выполняют разнообразные циклы, то передаточное число необходимо рассчитывать не на конкретную величину перемещения, а на среднее арифметическое всех перемещений, составляющих цикл. Моменты инерции в каждом из этих перемещений также могут различаться. Если известен некоторый типовой цикл работы ПР, то оптимальное передаточное число
' = V(3-21)
’2 Фк^динЧ
6=1
где JHR и фк — соответственно момент инерции нагрузки и угол поворота к-го перемещения в типовом цикле, состоящем из п последовательных перемещений. Ясно, что специализация ПР может влиять на конструкцию передаточного механизма. Так ПР, предназначенный для точечной сварки, характеризующейся множественным позиционированием в точках, находящихся на близком расстоянии друг от друга, должен иметь другое передаточное число, чем, например, ПР, работающий на загрузке-разгрузке станков. Проиллюстрируем это положение примером.
Для механизма поворота робота «Универсал-15.01» в качестве исполнительного двигателя используется гидроусилитель крутящего момента 2Г18-23 со следующими параметрами: год = 207 с"1; тИд!П1 = 27 Н-м; 7Д = 0,0037 кг-м2.
Средние параметры нагрузки, выведенные, из исследования типовых циклов работы по загрузке-разгрузке оборудования, следующие: 7Н = 200 кг-м2; срп =
107
ПодставляяПодставляяданные в фор-данные в фор-~ 1,5 Яа?™КПД передаточных механизмов н = 0 8 мулу (3.19), получим’ '
Подставляя
Подставляя
данные в фор-
данные в фор-
i = ,7'2.20^.200 _
V 1,5-27.0,8 ~ 81 •
Проверим отношение —ПР ;
1/•/и200
jh. пр -= -gp- = 0,0305;
^н. пр 0,0305
<ц " "0,0037"8,24 > *’
т. е. применение формулы (3.19) правомерно.
Для робота, используемого на точечной сварке, примем среднюю величину перемещений, равной 40 мм, что на радиусе 2 м составит 0,02 рад, передаточное число
ОтношениеОтношение-5 Г 2.2072-200V 0,2-27-0,8-5 Г 2.2072-200V 0,2-27-0,8= 340.= 340.
Отношение
Отношение
-5 Г 2.2072-200
V 0,2-27-0,8
-5 Г 2.2072-200
V 0,2-27-0,8
= 340.
= 340.
п. пр_200/д ГЧд 340'2-0,0037 ~ т. е. в этом случае передаточное т°гда z=V о»=2эз-Таким образом, в зависимости по быстродействию передаточногоп. пр_200/д ГЧд 340'2-0,0037 ~ т. е. в этом случае передаточное т°гда z=V о»=2эз-Таким образом, в зависимости по быстродействию передаточногоИЛИИЛИ2оРт2оРт■544динт]■544динт](3.23)(3.23)
п. пр_200
/д ГЧд 340'2-0,0037 ~ т. е. в этом случае передаточное т°гда z=V о»=2эз-
Таким образом, в зависимости по быстродействию передаточного
п. пр_200
/д ГЧд 340'2-0,0037 ~ т. е. в этом случае передаточное т°гда z=V о»=2эз-
Таким образом, в зависимости по быстродействию передаточного
ИЛИ
ИЛИ
2оРт
2оРт
■544динт]
■544динт]
(3.23)
(3.23)
0,468 < 1,
число надо подсчитывать по формуле (3.20).
от назначения робота величина оптимального числа изменилась почти в 3 раза.
Для поступательных прямолинейных механизмов задача сводится к подбору скорости у перемещения исполнительного звена. В этом случае время перемещения руки ПР по прямолинейным координатам в случае трапецеидального закона перемещения, если пр > 7’
(3.22)(3.22)zs 1777211777717111
(3.22)
(3.22)
^дин^д/2^
* Оптимальное по быстродействию / = -^ найдем, дифференцируя по / формулу (3.22) и приравнивая производную нулю. Тогда
оптимальную линейную позволит выбрать нуж-оптимальную линейную позволит выбрать нуж-
оптимальную линейную позволит выбрать нуж-
оптимальную линейную позволит выбрать нуж-
,д^.(3 24)
По формуле (3.24) можно подсчитать скорость исполнительного звена, которая 108
3 3. Назначение передаточных механизмов ПР
Вид перемещения исполнительного звена
о с
о
£
Тип двигателя
Вращательное В
Поступательное линейное П
1
Г ■
Двигатели поступательные линейные (гидро- и пневмоцилиндры)
Передачи, преобразующие поступательное движение во вращательное
Передачи отсутствуют или имеются передачи для согласования осей двигателя и исполнительного звена
2
Двигатели вращательные низкооборотные (роторные гидро- и пневмоцилиндры, гидромоторы радиальнопоршневые)
Передачи отсутствуют или имеется передача для согласования осей двигателя и исполнительного звена
Передачи, преобразующие вращательное движение в поступательное
3
Двигатели вращательные высокооборотные (гидромоторы аксиально-поршневые, пневмомоторы, электродвигатели)
Передачи с большим передаточ ным ч ислом для согласования скоростей и крутящих моментов двигателя и исполнительного звена
Передачи для преобразования вращательного движения в поступательное с большими передаточными числами
ные параметры передаточного механизма: диаметр зубчатого колеса в реечной передаче, ход винта в винтовой передаче и т. д.
Краткая методическая схема расчета энергетических параметров привода следующая.
Ориентировочный расчет по данным технического задания мощности двигателя [формулы (3.7)—(3.9), (3.14)—(3.16)].
Выбор по каталогам подходящих по мощности двигателей с различными сод и Л4Д.
Расчет оптимальных по быстродействию передаточных чисел Для каждого двигателя [формулы (3.19)—(3.21), (3.23), (3.24)].
Выбор двигателя, обеспечивающего наименьшее время отработки типового цикла перемещений и наиболее компактную конструкцию.
Формулы (3.18) и (3.22) могут быть использованы для приближенных расчетов циклограмм работы ПР.
Передаточные механизмы. На структуру и конструктивные особенности передаточных механизмов ПР влияет: тип двигателя, вид перемещения, обеспечиваемого исполнительным звеном, и способ взаимного расположения двигателей и соответствующих Им исполнительных звеньев.
В табл. 3.3 показано назначение передаточных механизмов при различных сочетаниях исполнительных двигателей и видов Движений исполнительных звеньев. В сочетаниях В2 и ГН передаточные механизмы могут вообще отсутствовать, так как ведущие
109
элементы двигателей могут непосредственно связываться с испол. нительным звеном, а в некоторых случаях сами могут выполнять его функции. Этот вариант является предельным. В некоторых случаях по соображениям компоновки, технслогичности или удобства обслуживания двигатель не может быть расположен соосно с исполнительным звеном и для согласования осей применяют передачи, которые при необходимости могут быть использованы также для согласования скоростей и силовых характеристик двигателя и исполнительного звена. В качестве примера можно привести конструкцию механизма вертикального хода робота «Versatran» [4], в котором исполнительный гидроцилиндр, хотя и расположен соосно с исполнительным звеном, но связан с ним через ускоряющую дифференциальную реечную передачу.
Сочетания В1 и П2 характеризуются необходимостью применения передач, преобразующих поступательное движение во вращательное и наоборот. Наиболее часто в робототехнике используют передачи для преобразования поступательного движения гидро- или пневмоцилиндров во вращательное движение исполнительных звеньев. Здесь чаще всего используются реечные, цепные и рычажные передачи. В последнее время получили распространение передачи с помощью зубчатых ремней. Реечные передачи используются в роботах «Универсал-15.01», «Циклон-ЗБ» (см. рис. 1.10 и 2.5). Цепные передачи использованы в роботах «Versatran» и «Unimate».
Сочетание ВЗ требует применения редукторов скорости с большим передаточным числом. В механизмах ПР используются зубчатые цилиндрические и конические, червячные, планетарные и, наконец, волновые редукторы. Конкретные примеры применений зубчатых и червячных редукторов, а также их сочетаний можно найти в механизмах поворота роботов «Универсал» и РПМ-25.
Возможность получения большого передаточного числа в одной ступени волнового редуктора позволяет устанавливать двигатель соосно с исполнительным звеном, что предельно упрощает конструкцию механической системы и делает ее компактной.
Тип редуктора выбирают на основе оценки по ряду параметров, из которых наиболее важными являются мертвый ход или люфт в передаче, жесткость, КПД, свойства самоторможения или обратимости, сложность (число составляющих элементов, необходимое для получения заданного передаточного числа), габаритные размеры и масса передачи, удобство компоновки, уровень шума при работе, долговечность, технологичность изготовления и стоимость передачи.
Коротко охарактеризуем основные виды редукторов, применяемых в манипуляторах.
Зубчатые цилиндрические редукторы имеют хорошие показатели по КПД, жесткости, долговечности и технологичности. Хороший КПД передачи позволяет без больших потерь применять специальные методы устранения люфта, который в зубчатых ре- 110
дукторах может достигать значительных величин и тем самым влиять на устойчивость и точность работы привода. Один из методов устранения люфта с помощью введения предварительного натяга в замкнутой передаче применен в конструкции роботов «Универсал-15.01» и РПМ-25 (см. рис. 1.7, 1.31). Уровень шума, зубчатых редукторов приемлем при достаточно высокой (не ниже 7) степени точности изготовления передач, особенно входных ступеней.
Наиболее слабыми сторонами зубчатых цилиндрических редукторов по сравнению с другими являются их высокая инерционность из-за больших диаметров колес, сложность и связанные в с этим габаритные размеры передачи. Отметим, что наиболее компактная конструкция получается при применении планетарных передач. К коническим зубчатым передачам можно отнести все сказанное выше, однако к недостаткам надо добавить сложность их регулировки при сборке, а также повышенный шум при работе, благодаря чему следует избегать постановки прямозубых конических колес на входные ступени редуктора.
Червячные редукторы отличаются хорошей жесткостью, малой инерционностью благодаря малому диаметру червяка и большому передаточному числу, малым уровнем шума, относительной простотой конструкции (передаточные числа достигают до 80—100 на одну ступень), возможностью самоторможения, что весьма полезно для осуществления позиционного следящего привода. К основным недостаткам червячных передач следует отнести низкий КПД, который у однозаходных передач доходит до 0,4—0,5, и связанную с этим сложность устранения люфта в силовых передачах, благодаря чему передачу рекомендуется применять только в первых ступенях редукторов, так как в этом случае люфт, приведенный к исполнительному звену, может оказаться незначительным.
Главные преимущества волновых редукторов — простота конструкции вследствие возможности получения больших передаточных чисел на одну ступень, малые габаритные размеры, практическая безлюфтовость (многопарное зацепление при малых модулях зубьев), высокий КПД, не ниже 0,8. Эти преимущества являются причиной все большего распространения волновых редукторов. Относительными недостатками этих передач являются пониженная жесткость, а также сложность изготовления и достижения приемлемой долговечности.
Сочетание ПЗ (см. табл. 3.3) обычно осуществляется в промышленных роботах с помощью передач двух типов: зубчатой передачи колесо—рейка в сочетании с каким-либо из редукторов, рассмотренных выше, и винтовых передач.
В качестве примеров передач первого типа можно привести сочетание цилиндрического зубчатого редуктора с реечной передачей (см. рис. 1.3), сочетание конического редуктора с реечной пере- ДЗчей (см. рис. 1.10), червячного редуктора с реечной передачей
Рис. 3.7. Роликовая винтовая планетарная передача: 1 — упорное кольцо; 2 — полугайка; 3 — ролик; 4 шарик; 5 — винт; 6 — сепараторРис. 3.7. Роликовая винтовая планетарная передача: 1 — упорное кольцо; 2 — полугайка; 3 — ролик; 4 шарик; 5 — винт; 6 — сепаратор
Рис. 3.7. Роликовая винтовая планетарная передача: 1 — упорное кольцо; 2 — полугайка; 3 — ролик; 4 шарик; 5 — винт; 6 — сепаратор
Рис. 3.7. Роликовая винтовая планетарная передача: 1 — упорное кольцо; 2 — полугайка; 3 — ролик; 4 шарик; 5 — винт; 6 — сепаратор
и червячно-цилиндрического редуктора с реечной передачей (модуль подвижного основания робота РПМ-25).
Более простыми по числу элементов являются винтовые передачи. В промышленных роботах используют винтовые передачи скольжения, шариковинтовые и роликовые винтовые передачи качения планетарного типа. Винтовые передачи скольжения по своим параметрам в целом соответствуют ранее рассмотренным нами червячным передачам. Низкий КПД и трудность выбора люфта ограничивают их применение, однако в некоторых случаях привлекательным качеством является свойство самоторможения, благодаря чему эти передачи находят применение в статически неуравновешенных механизмах (например, механизм подъема ПР «Универсал-5») (см. рис. 1.3).
В противоположность этому шариковинтовые передачи имеют высокий КПД и могут выполняться безлюфтовыми благодаря предварительному натягу в сдвоенных гайках, однако они не имеют свойства самоторможения. Примером применения шариковинтовой передачи является механизм поперечного сдвига робота «Универсал-15.01» (см. рис. 1.8). К недостаткам шариковинтовых передач следует отнести более низкую жесткость и технологическую сложность обеспечения перекатывания шариков в замкнутых каналах. Благодаря этому скорости вращения винта ограничены (обычно 1000—1200 об/мин). Эти недостатки устранены в так называемых роликовых планетарных винтовых передачах качения, относящихся к классу песоосных винтовых передач 16, 391. Такие передачи обладают повышенной жесткостью из-за множественности точек контакта между винтом и резьбовыми роликами, не требуют сложной конструкции для организации бесконечной циркуляции тел вращения, а скорости винта в них могут достигать 3000—4000 об/мин. Передачу используют в конструкциях модулей поступательного перемещения робота РПМ-25 (рис. 3.7).
Следует отметить также, что винтовые передачи различных типов используются не только в механизмах прямолинейного перемещения, но и в механизмах качания (сочетания ВЗ по табл. 3.3), 112
л
в тех случаях, когда угол качания невелик и не превышает -^.
При этом винт шарнирно сочленяется с качающимся рычагом исполнительного звена (см. рис. 1.5).
Рассмотрим, как влияет на структуру и конструкцию передаточных механизмов манипуляторов способ взаимного расположения двигателей и приводимых ими в движение исполнительных
звеньев.
Обозначим через W( число степеней подвижности (относительно неподвижного звена) i-ro звена ИКЦ манипулятора; W^ — число степеней подвижности базового элемента двигателя, приводящего в движение i-e звено ИКЦ- Тогда компоновочная структура манипулятора может быть записана системой уравнений вида W( — — WRi = X, i = 1, ..., п, где п — число степеней подвижностей манипулятора; | X | с п.
При этом следует рассмотреть три основные возможности, определяющие классификацию компоновочных структур манипуляторов: Wt — 1Кдг = 1; в этом случае элементы каждого двигателя соединяются (непосредственно или с помощью передач) со звеньями приводимой им в движение кинематической пары ИКЦ. W8 — Wa! > 1; в этом случае часть двигателей крепится на звеньях с меньшей подвижностью, чем у звеньев приводимых ими кинематических пар. Передачу движения к этим звеньям осуществляют с помощью передач различных типов через сочленения ИКЦ. Этот тип компоновки может иметь большое число вариантов. В частном случае все двигатели могут быть сгруппированы на неподвижном звене (IK, — 1КД1- = i). Этот вариант компоновки при
меняют в копирующих манипуляторах атомной промышленности, где по условиям эксплуатации необходимо выносить двигатели из радиационной зоны.
Большинство ПР выполняют по второй компоновочной группе. На рис. 3.8 показана кинематическая схема манипулятора «Uni mate-2600» фирмы «Kawasaki Н. I.» (Япония). В нем двигатели радиального хода руки и трех ориентирующих движений захвата сгруппированы на втором подвижном звене ИКЦ- Компоновочная структура
Рис. 3.8. Кинематическая схема про- мышленного робота « Kawasaki-Unb mate 2600»
рис. 3.9. Кинематическая схема нерегулярного планетарного меха- низма
) данного манипулятора мо- жет быть записана системой из шести уравнений: ^-^ = 1;
Г2-ГД2=1;
W4 - Ж14 = 2;
^-^Д5 = 3; И76-^д6=4,
Wt — W^ с 0; в этом случае часть двигателей большей подвижностью, чем
у приводимых ими звеньев. По "ряду причин этот тип компоновки до сих пор практически не применялся в манипуляторах.
Нетрудно убедиться, что манипуляторы, относящиеся ко второй и третьей компоновочным группам, могут включать в себя механизмы типа планетарной передачи,т. е. такой передачи, в которой оси некоторых звеньев (называемых сателлитами) изменяют положение в пространстве относительно неподвижного звена передачи. В ряде случаев они представляют собой нерегулярные передаточные механизмы, поскольку в них кроме основных звеньев с неподвижными осями, могут входить не только их сателлиты, но и сателлиты этих последних [23].
Различные типы планетарных и дифференциальных механизмов можно классифицировать по числу и назначению так называемых рабочих (ведущих, ведомых, управляющих) звеньев механизма, т. е. звеньев, к которым должен быть обеспечен доступ извне: планетарные редукторы и мультипликаторы, имеющие одно ведущее и одно ведомое звено, коробки передач, имеющие одно ведущее, одно ведомое и некоторое число звеньев управления; распределители моментов, которые имеют одно ведущее и несколько ведомых звеньев (например, межколесные и межосевые дифференциалы транспортных машин); суммирующие механизмы, имеющие несколько ведущих и одно ведомое звено; механизмы типа манипуляторов, имеющие несколько ведущих и такое же количество ведомых звеньев и представляющие собой нерегулярные передаточные механизмы 115].
На рис. 3.9 показана кинематическая схема одного из механизмов, относящихся к последнему типу. На этой схеме сателлиты основного звена 1 обозначены индексами 2', 3' и 4'. Назовем их сателлитами первого порядка. Сателлиты звена 2', обозначенные 3" и 4", назовем сателлитами второго порядка. Механизмы подобного типа с п степенями подвижности должны обладать сателлитами (/г — 1) порядка. Поскольку подобные механизмы характерны в основном для манипуляторов, назовем их для краткости М-меха- 114
низмами с цифровым обозначением перед буквой М числа степеней подвижностей механизма.
Особенностью М-механизмов является то, что их рабочие звенья являются звеньями ИКЦ манипулятора и одновременно сателлитами всех порядков, имеющихся в механизме. При проектировании машин, содержащих М-механизмы, возникают трудности определения угловых скоростей различных звеньев механизма, что может привести к конструкторским ошибкам. Ввиду этого, необходимо знать зависимости, связывающие угловые скорости основных звеньев и сателлитов различных порядков. Отметим, что в них должны входить только угловые скорости звеньев и передаточные отношения между звеньями, благодаря чему они являются инвариантными по отношению к типу и количеству передач, связывающих эти звенья. Поэтому условимся схемы, составленные из цилиндрических зубчатых колес, считать обобщенными схемами М-механизмов.
На рис. 3.10, а показана обобщенная схема 2М-механизма, представляющего собой обычный трехколесный дифференциал. В 2М-механизмах необязательно наличие всех трех основных звеньев, поскольку одним из рабочих звеньев является сателлит 2'. Поэтому третье основное звено, обозначенное буквой а, показано пунктирной линией (рис. 3.10, а).
Уравнение кинематической связи между угловыми скоростями сщ, а>2 и wa основных звеньев трехколесного дифференциального механизма имеет вид
tt>2 (Dj l2a (toa (')1).tt>2 (Dj l2a (toa (')1).(3.25)(3.25)
tt>2 (Dj l2a (toa (')1).
tt>2 (Dj l2a (toa (')1).
(3.25)
(3.25)
Передаточное отношение, связывающее звено 2 со звеном а;
1^ = —, где za и z2 — числа зубьев колес а и 2.
Рис. 3.10. М — механизмы:° — 2М-механнзм; б — ЗМ-механизм; а — конический ЗМ-механизмРис. 3.10. М — механизмы:° — 2М-механнзм; б — ЗМ-механизм; а — конический ЗМ-механизм
Рис. 3.10. М — механизмы:
° — 2М-механнзм; б — ЗМ-механизм; а — конический ЗМ-механизм
Рис. 3.10. М — механизмы:
° — 2М-механнзм; б — ЗМ-механизм; а — конический ЗМ-механизм
Выражения для угловой скорости сателлита 2* в зависимости от угловых скоростей одной из трех возможных пар звеньев 12, 1а и 2а;
im-toz' = <*>2 — Mi;
ia2-to2- = toa —
(3.26)
122'^2' = -j i2a («« — W2)-
—
Здесь i^' и ia^ — передаточные отношения, связывающие звенья 2 пас звеном 2* при остановленном звене 1.
Для определения уравнений кинематической связи в М-меха- низмах с числом степеней подвижности более двух предлагается метод последовательного выделения в таких механизмах простейших 2М-механизмов и мысленной остановки остальных звеньев. Проиллюстрируем применение этого метода на ЗМ-механизме (рис. 3.10, б). Мысленно выделим на схеме 2М-механизм с основными звеньями 2', 3', в' и сателлитом 3". Уравнения кинематической связи для этого механизма аналогичны уравнениям (3.25) и (3.26):
(3.27)(3.27)ЙЗ' — Ы>2' = h'b' (^b' — ю2');13'У®3" = ^З' — W2'.
(3.27)
(3.27)
Далее мысленно выделим 2М-механизмы со звеньями 1, 3, 3' и 1, в, в'. Аналогично уравнению (3.26)
,,1 .
0)3' = ((О3 — СЩ); tob, = -(tob — (Щ).
г33-lbb'
Подставляя значения юз и юь, а также w2. из системы (3.26) в систему (3.27) и учитывая, что 1зз"1з-ь' = 1зь- ШззШуг = гзз-, получим систему уравнений, описывающую кинематику ЗМ-меха- низма:
('ЗЬ- ibb- + hl'^bb' — l3b'l32’ — 'ЗЗ^ЬЬ') toi +
(3.28)(3.28)+ ^зз'-ьь' — 1'зьЗььЛ ю2 — i-22'ibb-to3 -|- (зь322'®ь0;
(3.28)
(3.28)
^г^зз'^з" = (^'зз' — t22') 0)i — ^33'w24 ^г'^з;
'22'ю2- = «2 — °>1-
Поскольку рассматриваемый механизм имеет три степени подвижности, то независимые вращения можно придавать только трем из четырех основных звеньев. Назовем эти звенья ведущими. Ведомыми в данном случае являются исполнительные звенья механизма: сателлит второго порядка 3”, сателлит 2', а также четвертое основное звено, если оно имеется. Очевидно, что можно вы- 116
брать за ведущие звенья любое сочетание основных звеньев ЗМ- механизма. Число таких сочетаний находится как
гз _ 4'3'2 _ 4
Система уравнений (3.26) позволяет получить выражения для угловых скоростей исполнительных звеньев ЗМ-механизма 1, 2' и 3" относительно любого из сочетаний ведущих звеньев: 123, 12в, 13в и 23в.
На рис. 3.10, в показана кинематическая схема ориентирующей головки ПР типа «Универсал». Эта головка представляет собой ЗМ-механизм с применением конических и цилиндрических зубчатых передач и дает возможность захвату ПР, жестко связанному со звеном 3", изменять ориентацию относительно трех взаимно перпендикулярных осей. В схеме имеют место равенства:
С2' = ?33' = ibb* = ^Ь’\ ^33" = lb3"-
Учитывая это, уравнения (3.28) упрощаются и принимают вид
(3.29)
Полученные уравнения используются как для анализа работы конкретных М-механизмов, в частности для программирования движений исполнительных звеньев манипуляторов, содержащих М-механизмы, так и при решении задач синтеза сложных дифференциальных механизмов манипуляторов. К числу таких задач относятся: создание механизмов с кинематической развязкой движений, что упрощает программирование манипуляторов, нейтрализация влияния люфтов в сложных дифференциальных механизмах путем создания механизмов с замкнутым энергетическим потоком.
Решение первой задачи равносильно созданию механизма, в котором двигатели и исполнительные звенья связаны только уравнениями вида
юд( = июь (3.30)
где tot — угловая скорость z-ro исполнительного звена; юд; — Угловая скорость вала двигателя, приводящего i-e звено; и — передаточное число механизма, связывающего двигатель с исполнительным звеном.
Зная кинематические соотношения в исходном М-механизме, ^Держащемся в манипуляторе, например, систему уравнений (<>.29) и требуемые соотношения искомого механизма (3.30), можем Определить выражения для кинематической связи некоторого
117
(3.31)(3.31)(3.32)(3.32)
(3.31)
(3.31)
(3.32)
(3.32)
механизма X, который должен быть присоединен к исходному М-механизму для получения искомого механизма.
Безлюфтовые передачи с замкнутым энергетическим потоком. Для того чтобы подобным образом подойти к решению второй из поставленных задач, необходимо рассмотреть сначала особенности передач с замкнутым энергетическим потоком. Такие передачи позволяют осуществить полный выбор люфтов во всех составляющих звеньях путем принудительного разворота в противоположные стороны двух соосно расположенных элементов одного из звеньев передачи. Обычно для образования замкнутого контура к исходной кинематической цепи добавляется точно такая же параллельная цепь, однако это необязательно. Более того, замыкающая передача может представлять собой передачу иного типа, чем исходная передача. Например, зубчатый редуктор может быть замкнут с помощью цепной или тросовой передачи. На рис. 3.11, а показана кинематическая схема исходного незамкнутого зубчатого конического редуктора, а на рис. 3.11, б — тот же редуктор, замкнутый параллельной цепной передачей.
Подсчитаем число степеней подвижности механизма по формуле Чебышева:
W = Зп — 2р5 — р4, где п — число подвижных звеньев; р4 и р5 — число кинематических пар, соответственно 4-го и 5-го классов.
В рассматриваемом механизме к парам 5-го класса относятся пары вращения звеньев, а к парам 4-го класса — зубчатые зацепления, поэтому W = 3-3 — 2-3 — 3 = 0. Данный механизм действительно не имеет подвижности, кроме одного случая, когда передаточное число замыкающей передачи равно передаточному числу исходного редуктора. В этом случае одна из связей в механизме становится пассивной или избыточной и потому не мешает движению механизма. Разрежем одно из звеньев механизма на две половины и осуществим принудительную закрутку этих половин в противоположные стороны, после чего вновь соединим их. Эта операция позволяет выбрать все мертвые ходы в передаче и тем самым повысить точность механизма.
В общем случае условие работоспособности замкнутых передач с одной степенью подвижности выражается так: круговое передаточное число замкнутой передачи должно всегда составлять + 1. Дод круговым передаточным числом имеется в виду последовательное произведение передаточных чисел всех передач, входящих в данную замкнутую кинематическую цепь. Условие работоспособности передачи следующее: tKP = i12i23i31 = +1.
Рассмотрим далее замкнутые передачи с пассивными связями, имеющие более одной степени подвижности, т. е. дифференциальные передачи. Продемонстрируем способ образования передач с пассивной связью на примере передачи, содержащей один трехзвенный дифференциальный механизм. Введем структурное обозначение незамкнутого трехзвенного механизма в виде прямоугольника с тремя выходами, обозначающими основные звенья (рис. 3.12, а). Будем считать звенья 1 и 2 трехзвенного механизма ведущими, а звено 3 ведомым. Затормозив мысленно ведущее звено 1, получим передачу с одной степенью подвижности с передаточным отношением i23. Для того чтобы в эту передачу ввести пассивную связь, необходимо замкнуть звенья 2 и 3 с помощью показанной штриховой линией передачи, передаточное отношение которой находится из следующего соотношения:
....1
ЧзС — 1 ; С :— / •‘23
Теперь мысленно затормозим звено 2. Тогда получим передачу с одной степенью подвижности с i13. Замкнем ее передачей с i'z = = -— (также обозначена штриховой линией). В результате мы связали передачей ведущие звенья 1 и 2 и получили между их угловыми скоростями линейную зависимость z23w1 = (13о)2.
Для того чтобы сохранить в замкнутой передаче независимость ведущих звеньев 1 и 2, очевидно, необходимо в месте соединения замыкающих передач ввести второй дифференциальный механизм, который позволит сделать обе замкнутые передачи независимыми (рис. 3.12, б). Обозначим выходы нового трехзвенного механизма Цифрами 4, 5 и 6. Тогда условие работоспособности полученного замкнутого механизма с двумя степенями подвижности запишется системой уравнений:
^iWcs^i = 1 1
Бз1:^^!^! = 1 ■
На рис. 3.13 показан один из вариантов кинематической схемы механизма, выполненного по структурной схеме рис. 3.12, б IA. с. № 301481 (СССР) ]. Кинематические отношения, создаваемые трехзвенными механизмами, следующие:
Д ю3 2wi;
“б + юб = 2ю4.
Рис. 3.13. Кинематическая схема замкнутого механизма с двумя степенями подвижности
Если /36 f52 i41 — 1, ТО t23 ^65 = 1; i^ 0>5; fg4 2.
Нетрудно проверить, что условие работоспособности, рассчитанное по формуле (3.31), для данной передачи выполняется. Проверим, осуществим ли вы
бор люфтов в данной передаче способом, описанным выше для передач с одной степенью подвижности. Мысленно разрежем одно из звеньев, например звено 6, на две части 6 и 6' и при
дадим этим частям некоторую условную скорость со в противоположных направлениях, что является моделью упругой
связи, с помощью пружины кручения или торсиона, т. е. со6 = = —®в' = 6). Если выбор люфтов в передаче возможен, скорости со6 и сов' должны быть равны нулю. Учитывая, что ®6' = юз, coj = <о4 и со2 ” ®5, и воспользовавшись системой уравнения (3.32), получим
со2 — со = 20)^
со2 -ф со = 2®х.
Вычитая почленно первое уравнение из второго, установим, что со = 0. Следовательно, со6 = «6- = 0, что и требовалось доказать.
Число степеней подвижности механизма (рис. 3.13) можно подсчитать по формуле Чебышева, однако удобнее воспользоваться для этой цели структурной формулой сложных дифференциальных механизмов [17]
W = п0- Км, (3.33)
где по — число основных звеньев механизма; Км — число трехзвенных дифференциальных механизмов, входящих в сложный механизм;
W = 3 - 2 = 1.
Фактически число степеней подвижности механизма равно двум. Такое несоответствие, как и в случае с замкнутой передачей (рис. 3.11, б), свидетельствует о наличии в передаче одной пассивной связи. Таким образом, если для образования пассивной связи в передаче с одной степенью подвижности требуется одна замкнутая цепь с ilip ~ +1, то для образования пассивной связи в передаче с двумя степенями подвижности требуются две независимые замкнутые цепи с ф.р = +1. Пары звеньев 1—4, 2—5 и 3—6 (см. рис. 3.13) считаются за одно звено, так как они связаны передачей с одной степенью подвижности. Независимой замкнутой цепью считается такая цепь, в которую входит хотя бы одно звено или кинематическая пара, не входящая в остальные замкнутые цепи.
Для образования пассивной связи в передаче с п степенями подвижности требуется наличие в этой передаче п замкнутых кон- 12Q
туров, круговое передаточное число каждого из KoTopbix равно 4-1. Поэтому при определении числа степеней свободы для замкнутых дифференциальных передач следует увеличить их число на единицу при наличии в передаче по одному независимому замкнутому контуру с tKP = +1 на каждую степень подвижности передачи. В связи с этим для сложных замкнутых дифференциальных передач предлагается новая структурная формула, более общая, чем формула (3.29),' поскольку она учитывает наличие пассивных связей:
W-n„-KyV-^ или - Г (по - IQ - р = 0, (3.34)
где р — число независимых замкнутых контуров с iKp = +1.
Для сложных замкнутых дифференциальных передач число степеней подвижности можно определить как один из корней квадратного уравнения
Г =± у ( ^м - "о у + р(з.35)
Формула (3.34) может быть также использована при синтезе сложных дифференциальных передач с замкнутым потоком мощности для определения минимального числа элементарных трехзвенных механизмов в передаче.
Рассмотрим одно свойство замкнутых дифференциальных передач с пассивными связями. Разрежем мысленно структурную схему одного из таких механизмов на две части так, чтобы в одной из них оказалось не менее одного трехзвенного механизма, а в другой — все остальные (разрежем только звенья, соединяющие трехзвенные механизмы). На рис. 3.14, а штриховой линией показан пример такого разделения механизма. В результате образовалось два независимых дифференциальных механизма (рис. 3.14, б). Поскольку каждое из разрезанных звеньев ранее входило, по крайней мере, в один независимый замкнутый контур с гкр = +1, то имеют место следующие соотношения:
_ ^Зи-^Ьс-Зс = isd-Sfise-Sc = igf-8f4e-8e = 1 ИЛИ
l3a-bd lbd-gf — ^sf-sf J
^зс-бс^бС-зе lse-9e
откуда i^a—Sd = 1зс-5с\ isd-Sf = isc—Se", ief—Sf = ise-Se.
Рис. 3.14. Эквивалентные дифференциальные механизмы
Рис. 3.15. Этапы синтеза механизма ориентации с тремя степенями подвижности для промышленных роботовРис. 3.15. Этапы синтеза механизма ориентации с тремя степенями подвижности для промышленных роботовсоотношесоотноше(3.36)(3.36)
Рис. 3.15. Этапы синтеза механизма ориентации с тремя степенями подвижности для промышленных роботов
Рис. 3.15. Этапы синтеза механизма ориентации с тремя степенями подвижности для промышленных роботов
соотноше
соотноше
(3.36)
(3.36)
Из этого следует, что звенья За, 5d, 8f и 9f одного из механизмов связаны между собой теми же кинематическими соотношениями, что и звенья Зс, 5с, 8е и 9е другого механизма.
Если имеются два дифференциальных механизма, причем в одном из них имеется множество Л, состоящее из п основных звеньев, угловые ско
рости которых связаны теми же кинематическими
ниями, что и угловые скорости п звеньев, принадлежащих к множеству В другого механизма, то такие дифференциальные механизмы назовем эквивалентными относительно данных п звеньев. Звено а, принадлежащее множеству А, эквивалентно звену Ь, принадлежащему множеству В, в том случае, если они связаны с остальными звеньями множества одинаковыми кинематическими зависимостями. Таким образом, механизмы, показанные на рис. 3.14, б, эквивалентны относительно звеньев 3, 5, 8 и 9. При этом звенья За и Зс, 5d и 5с, 8f и 8е, 9f и 9е составляют пары эквивалентных звеньев.
Очевидно, что способы разрезания замкнутых дифференциальных механизмов могут быть различными. Нетрудно проверить, что в каждом случае мы будем получать по два эквивалентных относительно разрезанных звеньев механизма. Свойство замкнутых дифференциальных механизмов образовывать при разрезании пары эквивалентных механизмов может быть полезно при синтезе таких
механизмов. Для того чтобы образовать из исходного дифференциального механизма замкнутый дифференциальный механизм с пассивной связью, необходимо присоединить к исходному дополнительный дифференциальный механизм, эквивалентный исходному относительно присоединяемых звеньев, а соединение механизмов должно производиться путем жесткой связи между собой эквивалентных звеньев, либо путем связи их через передачи с одной степенью подвижности. В последнем случае передаточные отношения между всеми эквивалентными звеньями должны быть равны.
Действительно, если соединить эквивалентные звенья двух механизмов (рис. 3.14, б) через передачу с одной степенью подвижности, Причем Ьа-Зс = lM-5c = t8f-8s = 19f-9e, ТО Нв- трудно убедиться, что круговые передаточные числа четырех замкнутых контуров не изменятся и останутся равными +1.
Вернемся к решению поставленной ранее задачи о синтезе механизмов манипуляторов с замкнутым энергетическим потоком. Для решения задачи необходимо присоединить к исходному М-ме- ханизму некоторый эквивалентный ему механизм X. В искомом механизме манипулятора должны быть образованы независимые замкнутые контуры с iIip = +1, число которых должно быть равно числу степеней подвижности механизма.
> Таким образом получаем все необходимые исходные данные для комплексного решения поставленных задач синтеза. Ход решения покажем на примере синтеза механизма ориентации с тремя степенями подвижности для ПР. В качестве ориентирующей головки выберем ЗМ-механизм (см. рис. 3.10, в). На рис. 3.15, а задача представлена графически. Она сводится к нахождению схемы замыкающего механизма X, отвечающей кинематическим соотношениям, полученным из условий задачи. Условие кинематической независимости движений записывается следующей системой уравнений:
®Д1 =
®Д2 — (2'®2';ЮдЗ = U'®S",
где (2, = Ц1Й.; i3„ = i3t33-, и, 12 и 1з — передаточные числа между валами двигателей и соответствующими основными звеньями исходного ЗМ-механизма.
Кроме того, чтобы удовлетворять условию выбора люфтов, механизм X должен быть эквивалентным исходному ЗМ-механизму относительно присоединяемых звеньев 1, 2, Зх и вх, т. е. соответствовать первому уравнению системы (3.29). Подставляя в систему (3.36) значения ®2' и ®3" из системы уравнений (3.29) и полагая “з* = —<о3 и ®вх = —шв; получим окончательно следующую си-
123
стему уравнений, которой должен удовлетворять механизм X;
®д1 ~ 4wi!
(3.37)(3.37)ЮД2 — ^ (Ю2 — wJ;
(3.37)
(3.37)
“дЯ = h (ю2 - “за - 2“i);
2сот — 2(о, = совХ — (о3¥.
Известно, что связи, устанавливаемые любым регулярным зубчатым механизмом между угловыми скоростями всех его основных звеньев 1, ..., п и неподвижного звена у, выражаются так называемой канонической системой уравнений вида сор — ®г = = I (го9 — сог) и cov = О [9]. Каждое из этих уравнений отображает трехзвенный дифференциальный механизм с основными звеньями р и q, связанными рядом передач с общим передаточным числом I, а г — водило этого ряда передач. Выберем в качестве элементов, составляющих механизм X, трехзвенные конические дифференциалы и, подбирая передаточные числа it, i2 и /3, преобразуем систему уравнений (3.37) в каноническую систему уравнений вида
сор — юг = —1 (о^ — (ог) или (ор (о^ = 2(ог.
Учитывая, что искомый механизм должен иметь три степени подвижности, а минимальное количество основных звеньев равно семи (три входа и четыре выхода механизма X), по формуле (3.34) найдем минимальное необходимое число элементарных дифференциальных механизмов Км = n0 — W + -^- = 7 — ЗД-1 = 5. Так как один из этих механизмов представляет собой исходный ЗМ-ме- ханизм, то в состав механизма X должно входить по меньшей мере 4 трехзвенных дифференциальных механизма. Зная это, нетрудно построить структурную схему искомого механизма (рис. 3.15,6) с таким расчетом, чтобы образовать в нем три независимых замкнутых контура. Из структурной схемы можно заключить, что трехзвенные дифференциалы должны содержать следующие тройки основных звеньев. Механизм А; Зх, дЗ, 2; Б : вх, 93, 4; В: 4, 91, 62; механизм Г; 2, 91, 92.
Учитывая это, преобразуем систему уравнений (3.37) в каноническую форму. Так как третье уравнение системы (3.37) содержит те же основные звенья, что и механизм А на структурной схеме, то введение новой переменной ®5 = —2ю2 преобразует третье уравнение системы (3.37) в следующее: ®дз + со5 -= 2co3v. После преобразований второе уравнение системы (3.37) примет виД (од2 + + 2о)д1 — (о5 = 0. Введем еще одну новую переменную ®8 == = —о)д2; тогда уравнение примет вид <в5 + <о6 = 2о)д1. Это уравнение отображает механизм Г на структурной схеме (рис. 3.15, б).
Преобразуем последнее уравнение системы (3.37) так, чтобы в него входили переменные вх, 93, 92 и 91, имеющиеся в трехзвенных механизмах Б и В. Для этого найдем значения w2 и со.,г из первых уравнений системы (3.37) и подставим их в последнее 124
уравнение. В результате получим так называемое уравновешенное уравнение (сумма коэффициентов равна 0) 2совх — 2год1 + год2 — (од„ = 0, которое преобразуем, введя новую переменную со4, в два трехчленных уравнения:
ю4 + ®дз= 2ювХ;)
Ю4 4" Юд2 — 2(0д1, J
отображающих соответственно трехзвенные механизмы Б и В. Заметим, что механизмы А и Б , а также механизмы Г и В расположены на разных осях и поэтому необходимо введение еще двух переменных ®7 = сод1 и го8 = содз.
Таким образом, система уравнений (3.37) преобразована в следующую каноническую систему уравнений, отображающую механизм X:
мдз + со5 = 2юЗЛ.;
Г: со5 -ф <о6 = 2(од1;
Б: ®4 -ф го8 = 2совх;
го4 -ф сояз = 2год1;
0)5 = —2w2 -ф Зоф;
(06 = —(0д2 -ф 2tov;
Ю7 = (Одб
®8 2 содз;
tov = о.
Для того чтобы облегчить построение механизма, соответствующего системе уравнений (3.38), построим сначала его символическую схему. В символической схеме трехзвенный механизм изображается отрезком прямой, который представляет водило, и двумя стрелками с обеих сторон, представляющими два других звена. Одноименные звенья всех механизмов соединяются непрерывной линией. Эти линии нигде не должны пересекаться, а к линиям, отображающим рабочие звенья механизма, должен иметься доступ снаружи. Внешние выходы механизма на неподвижное звено у также обозначаются стрелками. Символические схемы позволяют легко определить возможность соединения одноименных звеньев, Доступность звеньев снаружи, а также выявляют наиболее рациональное расположение трехзвенных механизмов. Такая символическая схема для механизма, отображаемого системой уравнений (3.38), показана на рис. 3.15, в. С помощью этой схемы, а также структурной схемы (рис. 3.15, б), нетрудно построить кинематическую схему механизма X, содержащую четыре конических дифференциала. На рис. 3.15, г показана полная схема механизма ориентации с тремя степенями подвижности,
Нетрудно убедиться, что эта схема удовлетворяет обоим условиям поставленной задачи. Для этого необходимо выписать все уравнения, определяющие кинематические связи в механизме, и последовательно подставить в них угловые скорости двигателей 61, 62, 63, каждый раз полагая работающим только один двигатель, а два других заторможенными. При этом получим систему уравнений (3.36), что подтверждает наличие независимых приводов координат.
Так же выполняется и второе условие задачи. Схема содержит три замкнутых контура с 1кр = +1: 61—1—3'—2'—2—5—7—1; 92—6—5—3—3—3’ —2’ —2—7—62; 63—3—3—3’—3я—в'—в—8- —63, в каждый из которых входит одно из ведущих звеньев (61, 62, 63) и соответствующее ему исполнительное звено. Проверка возможности выбора люфта в такой схеме производится следующим образом: разрезается одно из звеньев передачи; условно дается закрутка частям разрезанного звена в противоположные стороны со скоростями со и —со (имитация встройки предварительно напряженного торсиона); значения скоростей со и —со подставляются в систему уравнений, отображающую механизм; решается система уравнений; при этом если выбор люфта возможен, то результат решения должен быть со = 0 (т. е. раскрутка предварительно напряженного торсиона невозможна).
Полученная схема использована с несущественными изменениями в конструкции модуля «рука с тремя степенями подвижности» робота РПМ-25 (см. рис. 1.32).
Задача выбора оптимальной конструкции манипулятора в настоящее время далека от своего однозначного решения. Обзор конструкций ПР, эксплуатирующихся в настоящее время во всем мире, показывает широкий спектр применения приводов различных типов. При этом сложность конструкции механической системы варьируется в широких пределах: от простейшей в ПР с поступательными и роторными цилиндрами в качестве двигателей до сложных дифференциальных механизмов при использовании высокооборотных двигателей, сгруппированных на неподвижном звене.
ДИНАМИКА МЕХАНИЗМОВ ПР
Общие положения. ПР появились в производстве как машины, способные выполнять некоторые функции человека. В первую очередь это перемещение с высокими скоростями заготовок или деталей по заданным траекториям или от одной пространственной точки к другой и осуществление позиционирования с требуемой по условиям производственного процесса точностью.
При рассмотрении движений человека, стремящегося попасть рукой в определенную точку пространства, обращает на себя внимание разграничение фаз движения на динамическую и стабилизирующую составляющие. Первая из них характеризуется высо- 126
кой скоростью и приближенным направлением движения. Вторая фаза движения характеризуется резким снижением скорости и более точным координированием направления, сопровождающимся обычно колебательными движениями малой амплитуды. Направленное движение происходит при непрерывном зрительном и кинестатическом контроле, а конечный результат проверяется осязанием и слухом.
Движение исполнительного звена современного ПР характеризуется теми же фазами, что и движение руки человека, но в стабилизирующей фазе перемещения отсутствуют поисковые колебательные движения вблизи конечных положений, т. е. координаты этих положений задаются жесткой программой. Поэтому отпадает необходимость в поиске объектов, которые должны располагаться точно в предусмотренном программой месте.
Динамика процесса позиционирования существующих ПР, программируемых по жесткому циклу, зависит от характеристик систем управления, привода и манипулятора, причем манипулятор или механическая система ПР может рассматриваться как объект управления в общей системе с позиций теории автоматического регулирования, так и как самостоятельный объект, являющийся объектом управления и диктующий законы управления им. Обеспечение высоких скоростей перемещения ПР при одновременном обеспечении точности позиционирования без перебегов и колебаний связано с правильным выбором переходных процессов при осуществлении отработки заданий программы.
При рассмотрении динамики манипуляторов сталкиваемся с тем, что в процессе работы моменты инерции отдельных механизмов манипулятора изменяются в зависимости от таких технологических факторов, как масса переносимого груза и радиус его перемещения.
Если в копирующих манипуляторах изменения момента инерции учитываются оператором, который подсознательно выбирает определенный динамический режим работы, то приводы координат жестко программируемого ПР осуществляют перемещения по одному и тому же закону, не изменяющемуся от изменения моментов инерции перемещающихся частей манипулятора.
Решение задач переходных процессов в сложных механических системах сводится, как правило, к решению дифференциальных Уравнений высокого порядка. Общее решение таких уравнений представляет линейную комбинацию частных решений, содержащих характеристические числа, т. е. комплексные частоты собственных колебаний, численные значения которых, получаемые в результате приближенных решений алгебраических уравнений, не содержат параметров системы в явном виде. В результате теряется связь между характером переходного процесса и конструктивными параметрами машин.
Для выявления этой связи необходимо проведение специальных исследований динамики механической системы ПР. Если в ре-
12?
зультате исследований определяются параметры закона перемещения механической системы, обеспечивающие эти перемещения без колебаний и отсутствия перебегов в точке выключения сигнала управления, то такой закон дает возможность синтезировать управление механической системы, замкнутое по положению и скорости, с оптимальным для данной механической системы быстродействием. Решение этой задачи для конкретных конструкций ПР не требует применения исчерпывающих и подробных методов анализа кинематики и динамики манипуляторов, когда последовательно решаются задачи нахождения всех возможных положений, скоростей и ускорений звеньев механизма, векторов и моментов сил инерции, а также статические задачи для различных положений механизма.
Обычно достаточно установить экстремальные значения некоторых параметров, изменяющихся в процессе работы ПР и влияющих в основном на такие величины, как масса и моменты инерции перемещаемых звеньев, усилия и моменты от полезной нагрузки и неуравновешенности звеньев [11].
Экстремальные значения этих параметров могут быть получены из рассмотрения конструкции конкретного манипулятора или его кинематической схемы и не требуют проведения громоздких расчетов с учетом всех возможных состояний манипулятора. При этих условиях можно решать задачу для отдельных степеней подвижности ПР, настраивая управление привода на экстремальные значения параметров.
При решении вопросов динамики манипулятора уместно исходить из следующих основных принципов автоматизации технологических процессов [12]: необходимости минимизации взаимозависимых функций системы и тщательного рассмотрения влияния кинетической энергии на факторы, определяющие надежность ПР.
Первый принцип приводит к разделению рабочих функций и использованию независимых операционных позиций. При этом определяется функция, требующая наибольшего времени цикла. Это время цикла принимается равным минимальному времени, возможному в данной операции.
Все, что требуется от других независимо действующих элементов системы, — это то, чтобы они работали в пределах данного времени. Поэтому становится возможным осуществление действия различных элементов на скоростях, несколько меньших, чем их наивысшая скорость, а следовательно, и при меньших динамических нагрузках (второй принцип).
Поэтому одна из степеней подвижности манипулятора определяет время и режим работы ПР, а остальные степени должны работать в более благоприятном динамическом режиме.
В табл. 3.4 приведены некоторые характеристики транспортирующих степеней подвижности манипуляторов роботов «Уни- версал-50М», «Универсал-15.01», «Unimate-2000» и «Versatran», сравнение которых позволяет сделать вывод, что большей кинети- 128
3.4. Характеристики транспортирующих степеней подвижности ПР
Характеристика
«Универ-
«Универ-
«Unima-
«Versat -
сал-50М»
сал-15.01»
te-2000»
ran»
Момент инерции вращающихся вокруг
422,03
341,39
300,68
66,14
вертикальной оси частей манипулятора, кг-м2
Момент инерции вращающихся вокруг горизонтальной оси частей манипуля-
398,09
149,11
295,09
—
тора, кг-м2
Масса части руки, перемещающейся радиально, кг
Скорости перемещений:
98,1
0,436
73,58
0,85
49,05
0,523
24,53
поворот руки вокруг горизонтальной оси (качение руки), 1/с
поворот руки вокруг вертикальной оси, 1/с
1,57
2,6
1,92
1,05
0,762
0,91
выдвижение руки, м/с
1
1,7
ческой энергией при перемещении обладает координата поворота руки вокруг вертикальной оси. Так как при останове необходимо гасить эту энергию, то в динамическом отношении координата поворота руки вокруг вертикальной оси является самой нагруженной координатой манипулятора вне зависимости от принадлежности манипулятора к той или иной компоновочной структуре.
Структура механизма любой степени подвижности ПР может быть представлена в виде трех основных элементов: двигателя Д, исполнительного звена ИЗ и связывающей их механической передачи МП. Чтобы исследовать динамику механизма степени подвижности манипулятора, необходимо знать значения параметров всех трех элементов, составляющих механизм степени подвижности: массы и моменты инерции подвижных частей механизма, коэффициенты жесткости и величины мертвых ходов в передачах. Двигатель может быть охарактеризован массой тд и моментом инерции Уд его подвижных частей. Исполнительное звено характеризуется аналогичными величинами ти и Ти, которые являются переменными. Масса ти изменяется в зависимости от величины переносимого груза, и момент инерции J„, кроме того, зависит от текущего положения других координат ПР.
Механическая передача характеризуется массами и моментами инерции отдельных ее элементов, а также их жесткостью Си и величинами зазоров между элементами передачи. Массы и моменты инерции передаточного механизма могут быть разделены, в каждом конкретном случае, на две части и приведены к массам и моментам инерции двигателя и исполнительного звена. Тогда получим два момента инерции Ji и J2.
Так как в конструкции манипуляторов роботов «Универ- сал-50М», «Универсал-15.01», «Универсал-60» в механизмах сте-
5 Шифрин Я. А. и др. 129
Рис. 3.16. Динамическая модель вращательной координаты промышленного робота типа «Универсал»Рис. 3.16. Динамическая модель вращательной координаты промышленного робота типа «Универсал»Рис. 3.17. Номограмма двухпараметрических зависимостей:
Рис. 3.16. Динамическая модель вращательной координаты промышленного робота типа «Универсал»
Рис. 3.16. Динамическая модель вращательной координаты промышленного робота типа «Универсал»
J3 = / (m, Ну, tn — масса груза, кг;
Н — вылет руки, м
пеней подвижности и, в частности, в степени подвижности поворота руки вокруг вертикальной оси применены передачи с замкнутым пото- ком мощности, т. е. безлюфто- вые, то механическая пере
дача может характеризоваться только жесткостью Сэ и модель механизма вращательной координаты может быть представлена, как показано на рис. 3.16. На рис. 3.17 показана номограмма двухпараметрических зависимостей 1 — f (т, Н) для степени подвижности поворота руки вокруг вертикальной оси робота «Универсал-15.01».
Динамика механической системы при заданном на входе законе перемещений. Решение задачи, связанной с исследованием динамики механической системы координаты поворота руки робота «Универсал-50М» (опытного образца) при заданном законе перемещения, формулируемом управляющим устройством, было направлено на отыскание путей совершенствования динамики механизмов.
Структура координаты робота «Универсал-50М» показана на рис. 3.18. В качестве привода использовался гидроусилитель МГ18-1. Динамическая модель этой системы показана на рис. 3.19. Для гидроусилителя расход рабочей жидкости Q через следящее устройство [45] определим формулой
Q = Ут1Ар ~ (Р| - ^(3-39)
где а — коэффициент расхода масла через дросселирующие окна крановой втулки; / — суммарная площадь открытия окон крановой втулки, м2; р — плотность масла, кг/м3; Кр — перепад давления на гидроусилителе, Па; рг — р^ — перепад давления в полостях гидроусилителя, Па.
130
Учитывая высокий объемный КПД гидродвигателя МП 5, на базе которого выполнен гидроусилитель, введем допущение, что отсутствуют утечки в дренаж и перетечки масла между полостями гидроусилителя, т. е. QnOflB Q0TB Q. Уравнение работы гидродвигателя
(3.40)(3.40)2лМКР
(3.40)
(3.40)
Р1-Ра= т —>ЧЧобщ
гдеМкр — крутящий момент, развиваемый гидродвигателем; M)ip= = Уф + М.г sign ф + Мн (для движения руки в горизонтальной плоскости М„ = 0); q — теоретический (геометрический) расход масла за один оборот ротора гидродвигателя; г) общ— общий КПД гидродвигателя; т]г,бщ ^ 1. так как объемный КПД гидродвигателя близок к единице.
Потерями давления в каналах между крановым золотником и гидродвигателем пренебрегаем ввиду малой длины и значительного сечения этих каналов. Площадь открытия окон крановой втулки f связана с углом рассогласования входного и выходного валов гидроусилителя Аф = фл — ф2 следующим геометрическим соотношением:
1-пг.^&1(,_^у1-пг.^&1(,_^у(3.41)(3.41)
1-пг.^&1(,_^у
1-пг.^&1(,_^у
(3.41)
(3.41)
Рис. 3.19. Динамическая модель механизма вращательной координаты манипулятора промышленного робота типа «Универсал»:Jt — приведенный момент инерции задающего золотника гидроусилителя с учетом момента инерции редуктора и вала электродвигателя; /2 — момент инерции вращающейся части гидродвигателя в сумме с приведенным к валу гид- родвигателя моментом инерции механической передачи; J3 — момент инерции исполнительного звена манипулятораРис. 3.19. Динамическая модель механизма вращательной координаты манипулятора промышленного робота типа «Универсал»:Jt — приведенный момент инерции задающего золотника гидроусилителя с учетом момента инерции редуктора и вала электродвигателя; /2 — момент инерции вращающейся части гидродвигателя в сумме с приведенным к валу гид- родвигателя моментом инерции механической передачи; J3 — момент инерции исполнительного звена манипулятора
Рис. 3.19. Динамическая модель механизма вращательной координаты манипулятора промышленного робота типа «Универсал»:
Jt — приведенный момент инерции задающего золотника гидроусилителя с учетом момента инерции редуктора и вала электродвигателя; /2 — момент инерции вращающейся части гидродвигателя в сумме с приведенным к валу гид- родвигателя моментом инерции механической передачи; J3 — момент инерции исполнительного звена манипулятора
Рис. 3.19. Динамическая модель механизма вращательной координаты манипулятора промышленного робота типа «Универсал»:
Jt — приведенный момент инерции задающего золотника гидроусилителя с учетом момента инерции редуктора и вала электродвигателя; /2 — момент инерции вращающейся части гидродвигателя в сумме с приведенным к валу гид- родвигателя моментом инерции механической передачи; J3 — момент инерции исполнительного звена манипулятора
где г — радиус отверстий крановой втулки; п — число отверстий.
Тогда расход масла через гидроусилитель
Q = апг^- У-L^p- ^М^ [2 (Ф1 - ф2) - ^L^j . (з.42)
С другой стороны,
Q = ^Г 0)2-(3-43)
где го2 — скорость вращения выходного вала гидроусилителя.
здЦТТ-Гщ]- ГД - мп - из
Рис. 3.18. Структура координаты промышленного робота «Универ’ сал-50М> :
ЭД — задающий электродвигатель; Р — редуктор; ГР — гидро- распределитель; ГД — гидродвигатель; МП — механическая передача; ИЗ — исполнительное звено 5*
движения выходного определяет поведениедвижения выходного определяет поведениеРис. 3.20. Зависимость угла отставания ведомого вал, гидроусилителя от ведущего при осуществлении разгона
движения выходного определяет поведение
движения выходного определяет поведение
Рассмотрим режим разгона механической системы при условии, что задающий вал привода совершает движение с постоянным ускорением фщ (/) = «/2.
Режим разгона с постоянным ускорением механической системы с гидроусилителем МП 8-1 в качестве привода. Первый этап исследований определяет закон вала гидроусилителя <р2 (/), второй этап механической системы (ф3 /) в зависимости
от поведения выходного вала гидроусилителя. В результате находим такие скорости и ускорения гидроусилителя, которые бы не приводили к появлению колебаний механической системы. Особенно это важно для конструкций ПР, приспособленных к осуществлению точечной и дуговой сварки, так как колебания рабочего органа при подходе к позиции для точечной сварки или при осуществлении дуговой сварки приводят к появлению динамической составляющей ошибки позиционирования.
Сравнивая формулы (3.42) и (3.43), с учетом сказанного получим уравнение скорости перемещения выходного вала гидроусилителя:
4^(O = 0{2[ai2-%(OJ-S-^^=^^})(3.44)
п 2лапг2 ч / 1 Г . 2лМКР 1, ,
где 0 =—-— у ———J — коэффициент скорости
гидроусилителя.
Для линейной системы первого порядка 6 —■ величина, обратная ее постоянной времени. Для гидроусилителя МП8-14М 0 = = 1465 с"1, для гидроусилителя МГ18-23 6 = 293 с"1.
Проведя исследование решения дифференциального уравнения методом линеаризации в предположении, что Аф = at2 — ф2 (О малая величина, и ограничившись первым членом разложения функции | —^— sin 2 Аф | в ряд Тейлора, приводим уравнение к более удобному для решения виду:
Ф2(О = 0[^2 — <Р2 (01-(3.45)
Решение этого неоднородного уравнения при начальных" условиях ф2 (0) = 0 имеет вид
Ф2 (0- 2-^ + ^(1<ЗЛ6)
Таким образом, при разгоне гидроусилителя отставание ведомого вала от ведущего совершается на величину (рис. 3.20)
АФ = at2 - ф2 = -^ t - ^ (1 - ^*\(3.47)
Второй этап исследований режима разгона начинаем с уравнения движения массы с моментом инерции J3 относительно подвижной системы координат, жестко связанной с J2:
АФз (/) + Сф3 (/) = F2, (3.48)
где ф3 (0 — функция изменения угла поворота руки относительно массы 72; С — жесткость механизма поворота руки; F2 — сила, возникающая при действии ускорения ф2 у\
Так как ф2 (0 = 2а (1 — e-9iY то В2 = —2а (1 — е~е9(Л+ + /2)—2а (1 — е*е/) J2, ибо Jx <у J2.
(3.49)(3.49)С учетом формулы (3.48) получим
(3.49)
(3.49)
АФз (0 + ^Фз (0— 2aJ2(l е е).
В уравнении (3.49) нет члена Кф3 У), который учитывает неизбежное трение в системе; так как величина этого трения мала и трудно определима, то ею пренебрегаем. Решение такого линейного неоднородного уравнения можно представить в виде суммы частного и общего решения однородного уравнения при начальных условиях
Фз (0) = Фз (0) = 0;
<р.«) - -+ ^с«-6' + (^ - туте)У У ‘ +
+/5т|тс sl"(3 50>
Скорость
~ сТТ^"9' + см Ух ‘ +
+ УУЫУу-2УУ"УУ- <351>
Если необходимо найти закон перемещения третьей массы и скорости относительно неподвижной системы координат, то Фз» (0 = Фз (t) + ф2 (Г) и ф30 (А ----- ф3 (0 + ф, (0. Итак, при осуществлении равноускоренного разгона задающего вала системы Фх (0 = at2 выходной вал гидроусилителя отстает от входного на величину, определяемую уравнением (3.47), а рука манипулятора повторяет движение выходного вала гидроусилителя и совершает Колебания в процессе перемещений с амплитудой
Д - 1/ГУ (3.52)
У Ш^ + С)С: "г с'
Отсюда следует, что ускорение, сообщаемое системе, влияет на величину амплитуды колебаний. Зная допустимую динамическую составляющую ошибки, можно вычислить и допустимое для меха- нической системы ускорение.
Система имеет и второй источник колебаний — скачкообразное изменение угла рассогласования между входным и выходным валами гидроусилителя при исчезновении инерционной нагрузки во время перехода на установившийся режим.
Если обозначим через Аф! угол рассогласования в установившемся режиме, когда скорость равна К, то из выражения (3.47) получим Афг = -^-, где О, — коэффициент скорости гидроусилителя при установившемся режиме, причем
2лапг3 у у^ 2лМт sign фД/Уу
Угол рассогласования в момент окончания разгона с ускорением 2а
/92К\
л К 2а I ,2а I
Аф, —-g-—-Q|-U — е Л
где 62 — коэффициент скорости гидроусилителя при достижении максимальной скорости ф, (7) на участке разгона;
д _ 2лапг2 IГ 1 1_ ^^jJg^a+JWrSignjj^^
29 V р \ Р<Щ)'
Так как Qj > 62, то Аф2 > Аф1 и скачок угла отставания
/ВгК\
А л АI «2a I
А — Аф2 — Аф! — -д- — -д- — -Q2- и - е ).
_ Вг6
Если учесть, что е 2а величина малая вследствие того, что 62 > > 1, то
Для сохранения плавной работы манипулятора в конце разгона целесообразно иметь величину скачка А, равную не более величины зоны нечувствительности канала обратной связи системы управления ПР, т. е. допустимой амплитуды колебаний А. Следовательно, Д > А или
А V 92 М О3
Найдем выражение допустимой скорости установившегося Движения, т. е. максимальной скорости координаты манипулятора 134
^з условий отсутствия колебаний механической системы с амплитудой, не превышающей допустимой точности ПР. Очевидно,
А О2
К С
0291
Выражая величину 02 через 61, получим
КК(3.53)(3.53)егД Apg-q 4- -g— {Арчи + 2л [732а + Л4Т sign ф2 (/)]}л [732а 4- ,Vfrsign ф2 (/)]
К
К
(3.53)
(3.53)
Используя л к _2LЛ - 0102Используя л к _2LЛ - 0102выражение Авыражение Априближенное значение сначала угла отставания и выражая А через значения 0! и 02, получим _ л2д73Кприближенное значение сначала угла отставания и выражая А через значения 0! и 02, получим _ л2д73К01 Aron01 AronЕсли учесть, что при выходе системы на установившийся режим К = ®0, и принять, что А с А, где А —допустимая амплитуда колебаний выходного вала привода, то ограничение ускорения гидроусилителя запишется в видеЕсли учесть, что при выходе системы на установившийся режим К = ®0, и принять, что А с А, где А —допустимая амплитуда колебаний выходного вала привода, то ограничение ускорения гидроусилителя запишется в виде
Используя л к _2L
Л - 0102
Используя л к _2L
Л - 0102
выражение А
выражение А
приближенное значение сначала угла отставания и выражая А через значения 0! и 02, получим _ л2д73К
приближенное значение сначала угла отставания и выражая А через значения 0! и 02, получим _ л2д73К
01 Aron
01 Aron
Если учесть, что при выходе системы на установившийся режим К = ®0, и принять, что А с А, где А —допустимая амплитуда колебаний выходного вала привода, то ограничение ускорения гидроусилителя запишется в виде
Если учесть, что при выходе системы на установившийся режим К = ®0, и принять, что А с А, где А —допустимая амплитуда колебаний выходного вала привода, то ограничение ускорения гидроусилителя запишется в виде
2а < Яб1 ^mi
ЛСОу J 3
где i — передаточное отношение механизма поворота руки манипулятора.
На опытном образце робота «Универсал-50М» в качестве привода поворота использовали гидроусилитель МГ18-14М. Допустимое ускорение, которое может обеспечить этот гидроусилитель, co- с. М 4. А -9
ставляет величину 2а = — = -ур = 40 с А
Обеспечение максимальной скорости поворота руки робота «Универсал-50» <оо = 1,05 с1 показало, что для достижения бесколебательного режима системы необходимо развить ускорение, близкое к значению 2а < 145,25 с"2, что находится далеко за пределами возможностей гидроусилителя МГ18-14М. Поэтому в серийном образце робота «Универсал-50.01» гидроусилитель МГ18-14М был заменен на гидроусилитель МГ18-23, удовлетворяющий требованиям бесколебательного режима разгона.
Режим торможения с постоянным замедлением механической системы с гидроусилителем МП 8-1 в качестве привода. Манипулятор ПР является системой с низким коэффициентом демпфирования, переходный процесс которой при остановке привода проявляется в виде низкочастотных затухающих колебаний. Если амплитуда колебаний механической системы в точке останова привода превысит значение точности позиционирования, обусловленное дискретностью датчика обратной связи, то вместо останова системы начнется ее раскачка вокруг точки позиционирования. Поэтому необходимо выбрать такие режимы останова, 135
когда выбег механической системы после останова привода це превышает зоны нечувствительности канала обратной связи, т. е выбег, или половина амплитуды колебаний, меньше зоны не-' чувствительности датчика обратной связи. Исходя из изложенного выше, рассмотрим режим торможения механической системы.
На участке торможения задающий вал гидроусилителя совер. шает движение с постоянным замедлением
Фз (0 mt — at2,(3.54)
где <о — угловая скорость в начальный момент торможения.
При этом условии ф2 (0 есть решение дифференциального уравнения
ф2 (0 = 0 [®7 — at2 — ф2 (01(3.55)
с начальными условиями
ф2 (0) = со; ср2 (0) = —х,(3,56)
„ 2лапг2 т / 1 / . 2лМКР \, ,
где 9 — —-— у^ ) — коэффициент скорости
со
гидроусилителя; х = -д- — угол рассогласования входного и выходного валов в начале торможения.
Для линейной системы первого порядка 9 — величина, обратная ее постоянной времени. Для координаты поворота руки робота «Универсал-50.01» и «Универсал-15.01» с приводом типа 2Г18-23 9 имеет максимальное значение, равное 293 с"1.
Решение уравнения (3.55) есть функция
Ф2 (0 = (^" + ^ - *)- af + (^ + со) t -. (3.57)
Если время торможения до полной остановки т0 = -^, то перемещение второго вала
, ,/ 2а . со \2а" со2 , (2а 4-Осо) 2а 4-Осо
ф2Ы=^ + -о--%)е+(3.08)
а угол рассогласования между входным и выходным валами гидроусилителя
6 СО
«/ х со2 , 2а + Осо со2 (2а + Осо) / 2а . со \ ” 2а
0о)
_ «у2 , 2а + Осо (2а + Осо) со / 2а , со \ за" rni 2а й22а0Г Д Х) 6'
Инерционная сила, действующая на степень подвижности от замедления ф2 (t), определяется по формуле
F = АФг (0 = —А [в2 (^ + -^х^ е-е< — 2а j • (3.60) 136
Тогда ф3 (0 есть решение дифференциального уравнения (!) + Oh(0 - -J, [е= (^ + т - х) г* - 2а],
а именно
2а72 У2 (2а + Осо - х02)6/
Фз (0 = ~сД№ + С 6
Амплитуда колебаний звена переменной нагрузки с моментом инерции J3 относительно выходного вала гидроусилителя с моментом инерции J2
т fJ^Jr, Осо— х02\2 । Г2а/2(2а + 0со-— х()-) У2 , „„
V с № +с е2+±-
Для робота «Универсал-50М», координата поворота которого управлялась гидроусилителем крутящего момента МГ18-14М, при со6 = 31,4 с"1, коэффициенте скорости 9 = 1465 с"1, максимальной скорости звена поворота со = 1,05 с-1, жесткости механизма поворота С = 5,38-104 Н-м2-с"2 (0,65-106 кг-см2-с"2), угле отставания выходного вала от входного при максимальной скорости х = 0,00358 рад, ускорении на повороте координаты 2а = 2,4 с"2 и максимальной нагрузке с моментом инерции А = 9,22 кг-м2, J3 = 598,41 кг-м2 амплитуда колебаний руки А= 0,018 рад.
При пересчете на исполнительное звено (захват манипулятора) А = 2300-0,017 — 34,1 мм, где 2300 мм — радиус действия захвата с вылетом руки 1000 мм.
На амплитуду колебаний оказывает влияние инерционная нагрузка от перемещаемой массы, жесткость механизма, сообщаемое механизму ускорение, зависящее от мощности привода.
В роботе «Универсал-15.01» на координате поворота руки применен гидроусилитель Г18-23, постановка которого позволила Увеличить максимальную скорость поворота руки до сотах =
2,32 с1 и уменьшить амплитуду колебаний механической системы до значения А = 4,05-10'5 рад.'
Выведенное ранее выражение ф3 (/) есть закон перемещения звена с моментом инерции J3 в системе координат, центр которых 137
совпадает с массой, имеющей момент инерции L>. Относительно неподвижной системы координат
z, 2а 4- 0<о ,2а 4- 0<о , 2аД .
Фзо = Фг (0 + Фз (0 = —at" + —2 t22р __Х .]_
т д 2а + Эю-хвз .,
+ Г^Д - ee + to-^i.-i cos у с t
2 3
Дифференцирование по времени даст выражение скорости Фзо (О-
При t = -^ Фзо/ Асо принимает значение скорости ввода системы в точку позиционирования (так называемая ползучая скорость):
Лю = МУ =Лю = МУ =2а пT-Re2а пT-ReО(о 2 аО(о 2 а
Лю = МУ =
Лю = МУ =
2а п
T-Re
2а п
T-Re
О(о 2 а
О(о 2 а
~ Ml sin рх ^-es, cos Pl—,(3.64)
_ 2аО24з (1 — J2) 4~ 2aC . o 1/ C
-0V3+C’ P= V
д2аДС (1 — Д) + 2aJ2J302, в _ 2aJ223
0v3 + с -- 0Vs + с •
Как видно, ползучая скорость зависит от замедления, инерционной нагрузки и скорости, с которой началось торможение. Ползучую скорость можно связать с точностью позиционирования. С момента поступления команды на отключение привода до ее исполнения проходит время, которое включает время: срабатывания электрических и гидравлических элементов, участвующих в передаче команды исполнительному органу; запаздывания исполнительного механизма. Суммарное время запаздывания
т = ^ (т,- + т;),(3.65)
где т,., Ту — время срабатывания и запаздывания элементов и механизмов; п — число элементов и механизмов.
138
рис. 3.21. Структура координаты манипулятора промышленного робота « Уннверсал-15.06*: »fy — электроусилитель типа сопло—Заслонка; р}Д — гидромотор; Т — нагрузка
Поскольку длина трубопроводов
незначительна и масло имеет малое и wc количество растворенного и свобод
ного воздуха, то, пренебрегая упругостью масла, можно считать, что суммарный выбег рабочего органа с момента подачи команды на отключение до полной остановки складывается из выбега <рт за время запаздывания т и выбега срип за счет оставшейся кинетической энергии, определяемой инерционностью звеньев механизма
и моментом сопротивления:
й-т. + ^-^ + Цжг1. <366>
где Juv — приведенный момент инерции перемещающихся масс; Мт — приведенный момент сопротивления.
Чтобы механическая система не стала источником автоколебаний, когда она замкнута обратной связью по положению, необходимо выполнить условие 6<р < А, где А — поле позиционирования ПР, определяемое зоной нечувствительности обратной связи.
Связь ползучей скорости с точностью позиционирования
Асо =ДАL.(3.67)
J ПР
Динамика механической системы при заданном законе перемещения центра инерции системы. Рассматривается система, реализованная в одной из модификаций робота «Универсал-15.06» и представляющая структуру координаты манипулятора (рис. 3.21).
Расход жидкости на линии нагнетания
Qi = wu y^-^^-Pi)-(3-68)
где а, у — высота и ширина щели золотника ЗГУ.
Расход жидкости на линии слива из гидромотора
Q2 = \шу |/ -J-p2.(3.69)
С другой стороны, расход жидкости через гидромотор можно выразить через удельный расход жидкости на один оборот гидромотора q\
Qi = Q2=^rVi(0.(3.70)
гДе фг (7) — угловая скорость вала гидромотора.
Используя выражения (3.68)—(3.70), получим
/Wil') у 1
\ 2лау^ / ру 2лаур / р ^2>
Отсюда
1 р \ 2ла(/р / р\ 2лауц / рv '
Уравнение движения гидромотора, управляемого ЭГУ типа сопло — заслонка, имеет вид
Pi "^ ^J^> ^ + D(P> ^И -14 -^ ,
где D — коэффициент демпфирования жидкости.
Подставляя значения рх и р2, получим
J^D^aM_M = 0.(3.72)
где А = ■ з 2 2 ; М =.
4л3а2|122л
Приводимая гидромотором в движение система двух масс, связанных валопроводом с жесткостью С, описывается системой дифференциальных уравнений:
(3.73)(3.73)АФг (0 + Dip, (0 + -А_ ф’ ^ + С [Ф1 ^ - Фа (01 - М - 0;
(3.73)
(3.73)
Аф2(0 + С[ф2 (0-q4(oi = o.
Если пренебречь демпфированием жидкости и трением в системе, вместо системы уравнений (3.73) получим
АФт (0 + Ду ф; (0 + с [Ф1 (0 - ф2 (/)] - м = 0;
АФ2 (0 + с [ф2 (/) - Ф1 (01 = о
с начальными условиями Ф1 (0) = ф2 (0) = 0; Ф1 (0) = ф2 (0) = 0. Движение центра инерции рассматриваемой системы описывается уравнением
(Л + А)Ф(0 + 7^?Ф2(0-^ = 0, '.(3.75)
где Ф (/) — перемещение центра инерции.
В соответствии с теоремой о движении центра инерции
ф (/) = ^i^1 ^^ + ДФз (0(2 уд)
А А
Положим, что движение центра инерции механической системы в режиме разгона осуществляется по закону Ф (/) = at2, где а — половинное ускорение. Тогда ф (/) = 2а/; ф (/) = 2а.
Интегри- начальныхИнтегри- начальных(3.77)(3.77)Из уравнения (3.76) q^ (/) = ^ д ^ 2at— -^ ф2 (О- пуя, находим закон перемещения первой массы при условиях Ф1 (0) = <р2 (0) 0:
Интегри- начальных
Интегри- начальных
(3.77)
(3.77)
ФИО-^^^-^иО-
Подстановка этого уравнения во второе уравнение системы (3.74) приводит к следующей форме уравнения движения второй массы:
АФ2 (0 + с гAJlA Фз (/) _ А±А а^ U о.
L ■'1•'1 J
Решение запишется в виде
Ф2(0 = ^2-^(Нсо5Р/);(3.78)
ф.2 (/) —- 2at ф- -у- sin р/.(3.79)
Подставляя выражения (3.78) в (3.77), получим
qij (/) = at2 + а (1 ф- cos р/);(3.80)
Ф1 (О = 2at — а sin PC(3.81)
В уравнениях (3.78)—(3.81) р = ^^ ^4" "^— частота собственных колебаний системы.
При перемещении центра инерции системы по закону ф (/) = = at2 звенья этой системы перемещаются со скоростями в соответствии с выражениями
Фг (/) = at2 -ф- "4 а (1 4" cos р/); ФИО = 2а/ — 44 a sin р/; 22
Ф2 (/) — at2 —рз" а (1 -ф cos Р0; Ф2 (/) = 2а/ + ~р~ ti sin Рб
При этом управление золотником ЗГУ должно осуществляться по закону, определяемому уравнением
<3 82)
ГДе Х 2й V м - 2а (/, + "
Следовательно, линейное управление золотником ЭГУ в режиме разгона обеспечивает перемещение центра инерций механи- 'еской системы с постоянным ускорением.
В режиме торможения центр инерции механической систему перемещается в соответствии с законом
ф (0 = mot — at\(3.83)
где ю0 — скорость установившегося движения.
Скорость и замедление перемещения центра инерции при тор- можении механической системы
<р (0 = а0 — 2at; ф (0 = —2а.
Из первого уравнения системы (3.76) имеем
J^v (0 = Ф (О (Л + Л) — АФг (0. т- е.
Ф1 (0 = ^7^- («о - 2aQ — 7^2 ^У
Интегрируя по t, определяем закон перемещения первой массыЧЧ(0 = ~г^2 W - а/2) - -1- ср2 уу
Подставляя это выражение во второе уравнение системы (3.74), получим
JAУ) + с [А±Аф2(/)_л+а w_а/2)] = 0 (3 84) Уравнение (3.84) есть линейное дифференциальное уравнение второго порядка. Его решение с начальными условиями ф2 (0) = 0 и ф2 (0) = а0
№ - «V -а? А- а -“ ™s V ' +
+ - .sin V I =
-i/CGMA) v JYJ2
V
= toot — at2+ -^-a —^- a cos ₽/ + -y- sin p/,(3.85)
где (oo — скорость начала торможения; P — частота собственных колебаний механической системы.
Скорость перемещения второй массы
ф2(0 = о)о — 2a/ + -^sinp/ + o)0cospc(3.86)
Перемещение первой массы системы
Ф1(0 ^mot — at'1— cosp/)nrtogSinp^. (3.87) Скорость перемещения первой массы
Ф1 (0 = юо — 2а/ — ^^- a sin р/ — -^- ю0 cos р/.(3.88)
Управление золотником ЗГУ в режиме торможения механической системы определим при условии, что центр инерции системы перемещается с постоянным замедлением по закону
у(0 —(®о 2а/)]/" м + 2а(Л+ Д) ’(3.89)
Обозначим
X = 2а р^ M-VSaUiA7^ ’ ^“° ^ М 4-2а (Д + Д) ‘
Тогда у ^ = К — %/, т. е. линейное управление золотником ЭГУ обеспечивает перемещение центра инерции механической системы с постоянным замедлением.
Скорость ф, (/) при торможении повторяет линейное изменение скорости золотника ЭГУ с наложением колебаний с частотой р. На практике необходимо сглаживать переходный процесс в точках выхода на установившийся режим и начала торможения, так как при резких переходах возникает скачок скорости, являющийся источником колебаний механической системы.
Для установившегося движения уравнение движения гидромотора принимает вид 2И = Ла скорость установившегося Но
движения ю0 = у0 j/-^-. Чтобы найти скорость вращения вала гидромотора (щ в момент /0 полного раскрытия золотника ЭГУ, необходимо решить систему алгебраических уравнений
У Go) — УГ'
Ф Go) = “л
n 1ДА
Х = 2а У м^^- J^a
или
/Go — У о',2at0 = сор
% =% =М — 2 (Д 4* ^з) ^М — 2 (Д 4* ^з) ^А
% =
% =
М — 2 (Д 4* ^з) ^
М — 2 (Д 4* ^з) ^
Отсюда
2а2аМ-АНоА 4- зМ-АНоА 4- з(О(ОМ — 2а (Д 4- Д)М — 2а (Д 4- Д)АА
2а
2а
М-А
Но
А 4- з
М-А
Но
А 4- з
(О
(О
М — 2а (Д 4- Д)
М — 2а (Д 4- Д)
А
А
т. е. скорость вращения вала в момент полного раскрытия щели золотника не совпадает со скоростью установившегося движения при том же раскрытии щели,
Рис. 3.23. Семейство двухпараметрических кривых <рт = / (т, Я) (2) и /т = /(zn^ (б) при О)1И2Х = 67 с-1Рис. 3.23. Семейство двухпараметрических кривых <рт = / (т, Я) (2) и /т = /(zn^ (б) при О)1И2Х = 67 с-1
Рис. 3.23. Семейство двухпараметрических кривых <рт = / (т, Я) (2) и /т = /(zn^ (б) при О)1И2Х = 67 с-1
Рис. 3.23. Семейство двухпараметрических кривых <рт = / (т, Я) (2) и /т = /(zn^ (б) при О)1И2Х = 67 с-1
Рис. 3.22. Семейство двухпараметрических кривых МРп=/(«, Я) для промышлеи. ного робота «Универсал-15.04»
Скачок скорости появляется в момент перехода гидромотора установившийся режим при сообщении определенной величины дарения механической системе:
у^__УоумН1^+]Т
Коэффициент относительной скорости
^ - 1 _ V 1 - -MK + AL ~ а (Л + А)ы'М ~ м
Если принять, что относительная погрешность скорости для ЭГУ не должна превышать 2 %, то 2а Цх + /2) с 0,04М. Следовательно, величина ускорения гидромотора, ограничиваемая его 144
моментом и инерционностью механической системы, не должна
превышать
О " 0,04Л4
Исследования динамики механизмов координат ПР позволили экспериментально получить семейства двухпараметрических кривых зависимости ползучей скорости AlFn от переносимого роботом «Универсал-15.04» груза m и вылета руки И при обеспечении обратной связью точности + 1 мм (рис. 3.22), а также зависимостей угла торможения фт (рис. 3.23) и времени торможения /т от переносимого груза т и вылета руки Н,
По номограммам устанавливаются максимально допустимые ползучие скорости координаты поворота руки при условии бесколебательного режима торможения и обеспечения точности ±1 мм, углы торможения по координатам ПР, и рассчитывается время, затрачиваемое в технологическом цикле на совершение перехода от одной точки позиционирования к другой. Рассмотрение зависимостей tT = / (Н, т) показывает, что жесткопрограммируемый ПР, настраиваемый на технологической позиции на режим торможения по максимальному вылету руки и переносимому грузу, проигрывает во времени, когда он работает в цикле без груза и на меньших вылетах руки. «Жесткое» управление приводами неоптимально с точки зрения быстродействия ПР. Поэтому одним из этапов развития робототехники является создание такого управления приводами, которое изменяло бы путь
торможения, а следовательно, время в зависимости от инерционной нагрузки.
Одним из путей повышения быстродействия является создание управления приводами, адаптивного к нагрузке. Рассмотрим вариант такого управления [(А. с. № 597552 (СССР)]. В его основу положено изменение управляющего сигнала в зависимости от наличия в захвате руки груза и вылета руки. Устройство управления на примере координаты поворота руки (рис. 3.24) содержит
запоминающее устройство ЗУ, связанное со схемой сравнения ССП координаты поворота руки манипулятора и схемой сравнения ССХ координаты радиального хода руки, и устройством управления захватом. УЗ, которое связано с исполнительным двигателем захвата ДЗ.
Сигналы управления исполнительными двигателями коор-
рис. 3.24. Блок-схема управления меха- низмом поворота руки промышленного ро- vOra, адаптивного к иагрузк^
Рис. 3.25. Блок-схема управления для манипулятора робота «Универ. сал-15.01», адаптивного к нагрузке динаты радиального хода ДРХ и координаты поворота ДПР поступают от усилителей У. Исполнительные двигатели координат связаны через механизмы передач с датчиками обратной связи ДОС по положению поворота и радиального хода руки. Для введения коррекции в управляющий сигнал двигателя поворота руки используется функциональный преобразователь ФП, который имеет три входа /, 2, 3 и один выход 4. Вход / связан со схемой сравнения ССП координаты поворота руки, вход 2 — с устройством управления захватом УЗ, вход 3 — с датчиком обратной связи координаты радиального хода руки и выход 4 — с усилителем коор
динаты поворота руки.
Величины сигналов, поступающих на входы функционального преобразователя, обозначим соответственно а5, а6, а7 и выразим их следующим образом:
а5 — К1/лп0; а^ — К-зПQ-q —■ Осс'
где т1Ю — масса переносимого объекта; К\ и К^ — коэффициенты пропорциональности между величинами сигналов, массой и вылетом руки; г — вылет руки; асс — сигнал управления, поступающий из схемы сравнения координаты поворота.
В функциональном преобразователе, кроме того, должен генерироваться постоянный сигнал
где т0 — масса подвижных частей манипулятора, принимающих участие в радиальном перемещении; Ко — коэффициент пропорциональности.
Так как угол торможения линейно зависит от момента инерции перемещаемых масс и полезной нагрузки и J = тг2, то сигнал, 146
который должен нести в себе информацию об изменении момента инерции, выражается формулой
«и = («о + аз) aV
Сигнал управления, вырабатываемый функциональным преобразователем, выражается следующим соотношением:
Я 7аСС
<1ф" - Каи - К («о + а.-,) а% 1
Для управления механизмами выдвижения руки, качания кисти, сдвига и вращения захвата должен быть применен функциональный преобразователь, вырабатывающий сигнал следующего вида:
фп ' К (Китп +KimnoV
где тп — масса частей манипулятора, принимающих участие в движении (постоянная для каждой координаты величина); тп0 — масса переносимого объекта; К, Кп, Л\ — коэффициенты пропор циональности.
Для манипулятора робота «Универсал-15.01» блок-схема адаптивного к нагрузке управления может быть такой, как показана на рис. 3.25.
Глава 1
РАСЧЕТ ДЕФОРМАЦИЙ МЕХАНИЧЕСКОЙ СИСТЕМЫ
И НАДЕЖНОСТЬ ПРОМЫШЛЕННЫХ РОБОТОВ
РАСЧЕТ ДЕФОРМАЦИЙ МЕХАНИЧЕСКОЙ СИСТЕМЫ ПР
Особенности механических систем и обоснование расчетных моделей. По функциональному признаку механическую систему робота (по аналогии с человеком) классифицируют на скелетную, или несущую и мышечную, или исполнительную [4]. Несущая механическая система определяет структуру манипулятора и объем рабочей зоны. На нее оказывают влияние динамические и точностные параметры, реализуемые исполнительной механической системой. Несущую механическую систему по функциональному признаку можно классифицировать на устройства, определяющие размеры рабочей зоны, и устройства, определяющие кинематическую структуру. В радиальном направлении размеры рабочей зоны определяются следующими устройствами (рис. 4.1): опорой — поступательно-движущимся звеном (рис. 4.1, а, б), рычажным двухзвенным (рис. 4.1, в) и трехзвенным (рис. 4.1, г) механизмами.
Несущие механические системы, определяющие размеры рабочей зоны в вертикальном направлении, включают: неподвижное звено — поступательно-движущаяся опора (рис. 4.1, 5), рычажный двухзвенный механизм (рис. 4.1, е), неподвижный шарнир — вращающееся звено (рис. 4.1, ж), пантограф (рис. 4.1, з). На рис. 4.2 показаны несущие механические системы, представляющие собой поворотные узлы, состоящие из неподвижной опоры и вращающегося звена.
Звенья ПР по конструктивному признаку можно разделить на звенья, имеющие по длине постоянное поперечное сечение, и звенья с переменным сечением. Последние характерны для ПР, у которых рабочая зона обеспечивается рычажно-шарнирными механизмами («Asea» (Швеция), «ТгаШа» (США), СН-6 (США), «KUKA Famulus» (ФРГ), РПМ-25 (СССР)).
Несущие детали робота соединяются между собой неподвижными стыками, основные типы которых показаны на рис. 4.3. Для соединения звеньев в ПР применяют в основном элементы с трением качения, что обеспечивает стабильность механических характеристик.
Анализ конструктивных исполнений несущей механической системы ПР позволяет установить у них следующие особенности: 148
несущие механические системы ПР характеризуются наличием трех звеньев, которые в общем случае расположены друг к другу под произвольными углами (кисть, рука, наклонная или вертикальная стойка); соединение звеньев между собой происходит за счет элементов качения, контактная жесткость которых меньше, чем жесткость других стыков; в соединениях звеньев между собой вследствие износа, погрешности изготовления может образовываться люфт, который не должен превышать точности позиционирования ПР; жесткость неподвижных стыков может быть обеспечена намного большей, чем жесткость узлов соединения звеньев за счет большой площади контакта; податливость звеньев из-за особенностей работы ПР (исполнительный орган — кисть имеет консольное крепление и удален от опоры на расстояние, большее 2 м) является довольно большой.
Исходя из перечисленных особенностей несущей механической системы, при расчете ее динамических качеств (собственная частота колебаний, максимальное время колебаний, амплитуда) необходимо учитывать собственную податливость звеньев, контактную податливость узлов соединения звеньев, наличие люфтов в узлах соединения звеньев. Указанные особенности следует учитывать при разработке расчетной модели несущей механической системы ПР. При выборе расчетной модели целесообразно для упрощения провести схематизацию элементов механической системы.
^ис. 4.1. Устройства, определяющие размеры рабочей зоны в радиальном (<г г) н вертикальном (д—з) направлениях
Рис. 4.2. Поворотные узлы промышленного робота:Рис. 4.2. Поворотные узлы промышленного робота:
Рис. 4.2. Поворотные узлы промышленного робота:
Рис. 4.2. Поворотные узлы промышленного робота:
а — опора — радиальные подшипники; б — опора — упорно-радиалъные подшипники; в — опора — специальный подшипник
Рис. 4.3. Неподвижные стыки:а — плоский штифт; б — плоская шпонка;Рис. 4.3. Неподвижные стыки:а — плоский штифт; б — плоская шпонка;в, г — плоский цилиндр; д — коиусв, г — плоский цилиндр; д — коиус
Рис. 4.3. Неподвижные стыки:
а — плоский штифт; б — плоская шпонка;
Рис. 4.3. Неподвижные стыки:
а — плоский штифт; б — плоская шпонка;
в, г — плоский цилиндр; д — коиус
в, г — плоский цилиндр; д — коиус
Рис, 4.4. Расчетные схемы узлов соединения звеньев
Рис. 4.5. Расчетные модели ИМС:Рис. 4.5. Расчетные модели ИМС:
Рис. 4.5. Расчетные модели ИМС:
Рис. 4.5. Расчетные модели ИМС:
а — модель робота с тремя подвижными звеньями; / — кисть, 2 — рука; 3 — наклонное звено; б —модель робота, работающего в сферической системе координат; в — модель робота, работающего в цилиндрической системе координат
На рис. 4.4 показаны основные типы элементов кинематических пар узлов соединения звеньев. Рассмотрим характер их деформации при нагружении изгибающим моментом, который для ПР является основной нагрузкой.
Многоопорное соединение (рис. 4.4, а) деформируется под воздействием изгибающего момента по линейному закону [16], а упругий угол поворота в стыке
—Г”’
L”
где J = L — расстояние между опорами; t — расстояние между телами качения; Сш — податливость направляющих; М — внешний момент.
Следовательно, такое соединение звеньев можно заменить упругим шарниром, угол поворота которого <р = /И/Суш, где Суш — податливость упругого шарнира Суш = ЛСШ1 (рис. 4.4, б).
Двухопорное сочленение (рис. 4.4, в) можно характеризовать углом поворота звена в передней опоре: <р = (—4- 3£^ ) М, где Сп — податливость подшипника; Jx — момент инерции заделанного стержня. Такое соединение схематически можно представить в виде упругого шарнира. При наличии люфтов в сочленении его можно схематически представить как упругий шарнир с люфтом (рис. 4.4, г).
Звенья ПР могут иметь по длине постоянное и переменное сечения. Достаточную точность при определении низких частот колебаний механической системы дает схематизация звеньев [16], показанная на рис. 4.5. Представим звено в виде невесомого стержня с массой, распределенной по его концам, имеющего жесткость, равную полусумме минимальной и максимальной жесткостей реальной конструкции. При значительно изменяющейся жесткости можно предусматривать деление звена на несколько участков постоянной жесткости, соединенных упругими шарнирами с сосредоточенными в них массами звеньев.
На рис. 4.5, а показана модель, которая описывает большинство встречающихся несущих механических систем. Модель состоит из трех звеньев, связанных между собой упругими шарнирами, имеющими три момента сопротивления, пропорциональных контактной податливости узлов соединения звеньев и направленных в трех взаимно перпендикулярных плоскостях. Звенья 1—3 представлены в виде невесомых стержней с жесткостью Сь С2, С3, Массы которых mlt m2, m3 распределены по их концам. Углы поворота стержней соответственно равны <рх, ф2, ф3. Такая модель несущей механической системы позволяет учесть контактную податливость узлов соединения звеньев, получить значение собственной частоты с достаточной точностью, изменением параметров Модели получить расчетные схемы большинства имеющихся компоновок роботов,
Рис. 4.6. Функциональная блок-схема координаты робота
Модели, показанной на рис. 4.5, а, соответствует несущая конструкция ПР со складывающейся рукой СН-6 (США), «KUKA Famulus» (ФРГ), «Area» (Швеция), «ТгаШа» (США), РПМ-25 (СССР). При звене /ь имеющем С\ — оо (рис. 4.5, б),
получим модель, соответствующую ПР, работающим в сферической системе координат и имеющим поступательно-перемещающуюся кисть. Такая модель соответствует несущей механической системе роботов «Unimate» (США), «Универсал-15.01» и др.
При углах срг = 1,57 рад и ф2 ~ 1,57 рад (рис. 4.5, б) получим расчетную схему для ПР, работающих в цилиндрической системе координат. Такая модель соответствует несущей системе роботов «Versatran» (США), «Aida» (Япония), «Kuka Nachi-2000» (ФРГ), «УМ-1» (СССР), «Универсал-5» и др.
Рассмотрение устройства и работы исполнительных механических систем роботов «Универсал-15.01» и «Unimate», которые содержат наиболее полно основные технические решения, применяемые в ПР, позволяет создать функциональную схему координаты ПР. Для определения особенностей исполнительных механических систем рассмотрим функциональную блок-схему координаты робота (рис. 4.6). Система программного управления выдает задание приводу ПРВ. Движение привода преобразуется с помощью различных механических передач, которые назовем передающими механизмами ПМ.
В указанных выше промышленных роботах роль ПМ выполняют: у робота «Unimate» — цепная передача и конические зубчатые колеса, которые преобразуют прямолинейное движение штоков гидроцилиндров во вращательное, уменьшая при этом скорость и увеличивая момент; у робота «Универсал-15.01» — конический дифференциал и планетарные редукторы.
Привод и преобразующие механизмы являются громоздкими и тяжелыми, поэтому их устанавливают не непосредственно у исполнительного механизма ИМ, а движение от привода передается различной конструкции валами, которые назовем передающими связями ПС.
В рассматриваемых системах роль ПС выполняют: у робота «Unimate» — шлицевой вал, шариковая муфта передачи крутящего момента, полый вал; у робота «Универсал-15.01» — шариковая муфта передачи крутящего момента, шестигранные валы. ИМ, ПС, ПМ в общем случае могут охватываться устройством выбора люфта УВЛ, как у робота «Универсал-15.01»t или же УВД 152
включается в конструкцию ИМ, ПС, ПМ. С исполнительным механизмом или выходным валом привода связан передающий механизм датчика положения ПМДП, который предназначен для преобразовывания измеряемого сигнала в движение датчика положения. Датчик положения ДП дает сигнал системе программного управления.
ИМ, ПС, ПМ, УВЛ составляют исполнительную механическую систему, которую, таким образом, можно классифицировать по функциональному признаку на передающие механизмы, устройства выбора люфта, передающие связи, исполнительные механизмы. На рис. 4.7 показаны основные типы исполнительных механических систем роботов. Анализ передающих механизмов ПР позволяет сделать следующие выводы.
Для передачи вращательного движения применяют различного рода зубчатые, цепные, зубчатые ременные передачи.
Для преобразования прямолинейного движения во вращательное служат передачи: рейка — зубчатое колесо, цепь — звездочка.
Для преобразования вращательного движения в прямолинейное служат передачи: зубчатое колесо —- рейка, винт — гайка, байонет.
Для передачи поступательного движения служат рейка — зубчатое колесо — рейка, цепная и рычажная передачи.
Рис. 4.7. Основные типы исполнительных механических систем промышленных роботов: а — механизм поворота робота «Unimate»; б — механизм поворота робота «Универ- сал-15.о1»; 1 — гидродвнгатель; в — механизм поворота робота «Универсал-5»; 1 — электродвигатель; г — механизм перемещения кисти робота «Versatran»; д — ИМС качания руки робота «Kuka Famulus»; е — ИМС поворота кисти робота «Универсал-5»;
— ИМС качания кисти робота «Kuka Famulus»; 1 — волновой редуктор; 2 — электродвигатель; и — механизм сдвига робота «Универсал-15»; 1 — гидродвигатель; к — механизм выдвижения руки робота «Versatran»; л — механизм вертикального перемещения руки робота «Versatran»
Ш
Рис. 4.8. Расчетные модели и силовые характеристики ИМС:
а — с автономным выбором люфта; б — с выбором люфта дополнительной кинематической цепи
Устройства выбора люфта можно разделить на автономные и устройства, включающие дополнительные кинематические цепи.
Передающие связи можно разделить по конструктивному признаку на следующие: шариковая муфта передачи крутящего момента — шлицевой вал, вал, шлицевое соединение — шлицевой вал.
Исполнительные механизмы можно разделить на кистевые и несущие. Анализ исполнительных механических систем позволил выделить следующие их особенности: исполнительные механические системы кистевых движений имеют передающие связи большой податливости, обусловленной их большой длиной и малым поперечным сечением; в исполнительных механических системах других движений (поворот руки, перемещение руки в вертикальной плоскости и т. д.) передающие связи с большой податливостью или отсутствуют, или их можно сделать значительно более жесткими, так как исполнительные механизмы располагаются рядом с приводами. Выбор люфтов в передачах осуществляется автономно в каждом элементе или при помощи устройства, включающего дополнительную кинематическую цепь.
Исходя из этих особенностей, при расчете динамических качеств исполнительной механической системы необходимо учитывать податливость передающих связей кистевых движений; наличие люфта в исполнительных механических системах с автономным выбором люфта; неодинаковые податливости двух кинематических цепей в исполнительных механических системах с выбором люфта дополнительной кинематической цепью и в конструкциях с автономным выбором люфта с применением пружинных элементов; автономный выбор люфта, осуществляемый сбли- 154
рением кинематических элементов, характеризуется неполным выбором люфта. Исходя из перечисленных особенностей, исполнительные механические системы можно схематизировать (рис. 4.8). При этом массы приводят к концам передающих связей.
Модель, показанная на рис. 4.8, а, и ее нагрузочная характеристика позволяют учитывать особенности механических систем с автономным выбором люфта, а модель, показанная на рис. 4.8, б, и ее нагрузочная характеристика — особенности механических систем с выбором люфта дополнительной кинематической цепью. При этом Л4Т — момент затяжки торсиона.
Расчет деформаций механических систем. Деформация механических систем ПР происходит под действием инерционных нагрузок, массы перемещаемых предметов и собственной массы. Наибольший интерес представляет расчет деформаций механических систем при позиционировании. Это объясняется следующими обстоятельствами: несущие «нежесткие звенья» ПР невозможно охватить обратными связями, и даже при идеально точной остановке привода деформация механической системы ухудшает точность позиционирования; статические массы вызывают деформацию, постоянную по величине, которая при программировании ПР «по первому циклу» может быть полностью исключена, что дает возможность при расчетах считать ее в точке позиционирования равной нулю; деформация под действием инерционной нагрузки приводит к возникновению затухающих механических колебаний, которые снижают точность и увеличивают время позиционирования.
Деформация от инерционных нагрузок возникает в таких точках движения, где изменяется ускорение движения: в начале разгона, характеризующегося увеличением ускорения от нуля до своего максимального значения; в конце разгона, характеризующегося уменьшением ускорения от своего максимального значения до нуля; в начале торможения, характеризующегося нарастанием ускорения от нуля до своего отрицательного максимального значения; в конце торможения или позиционирования, характеризующегося уменьшением отрицательного ускорения от своего максимального значения до нуля. Таким образом, деформация механической системы ПР происходит под действием кинематического возбуждения, т. е. колебания системы вызываются не внешними силами, а возникают благодаря приведению в движение по заданному закону одной или нескольких точек системы. Задачу о кинематическом возбуждении нетрудно свести к задаче ° силовом возмущении, пользуясь принципом Даламбера.
Параметры колебательного процесса механической системы зависят от времени нарастания нагрузки и свойств механической системы. Поэтому необходимо рассмотреть влияние движения и конструкции механической системы на параметры колебатель- Ного процесса этой системы и их соответствие технологическим требованиям по времени движения к точке позиционирования.
155
Рис. 4.9. Расчетные схемы ИМС кистевых движений робота
Влияние параметров движения при позиционировании рассмотрим на примере исполнительной механической системы кистевых движений. На рис. 4.9, а показана двухмассовая модель механической системы кистевых движений. Пользуясь принципом Даламбера, приложив к массе т2 инерционный момент Д2Ф, где Ф — угловое ускорение массы т2, ее можно привести к одномассовой (рис. 4.9, б). Для анализа влияния параметров движения механической системы примем линейную характеристику ускорения (рис. 4.9, в). Нарастание ускорения до своего максимального значения в период начала торможения происходит за время t = 4, ускорение постоянно в течение времени t = — фа уменьшение ускорения происходит за время t = t3 — ф.
Как показывают опыт эксплуатации и экспериментальные исследования ПР, временные параметры должны соответствовать следующим требованиям: время 1г должно быть таким, чтобы амплитуда возникающих колебаний к началу позиционирования (время t^ была меньше заданной (требуемой) точности позиционирования; время t3 должно быть таким, чтобы амплитуда колебаний в конце позиционирования была равна нулю.
На рис. 4.9, г, где /Ио = /2фтах, показана нагрузочная характеристика колебательной системы. Используя метод суперпозиции, представим эту нагрузку в виде суммы трех нагрузок (рис. 4.9, д).
Для t = ф
ф' + 2пф' Д- и^ф' = /Ио 4-; •
ф'+ 2пф" Д-^ф" = —
где ф' — угловое ускорение массы т^ при времени 0 < t с ^; ф" — угловое ускорение массы т2 при времени tv < t < Z2; ®с — собственная частота колебаний механической системы; f = = ^2 4
Решая систему уравнений, получим
Ф' = тт^т (^ — e-n< sin М;
•'2Чюс
ф" = ТтЧ [“с ^ - У 4 ^п <^-> Sin оз (/ - У].
Угол поворота при t = ^
Ф/2 = ф' + ф";
ф/2 = [toc^l 4 e"n (/-G) Sin ю V " У “ e-nt Sin СО/],
где п -у- = 4“с-, причем 6 — логарифмический декремент затухания колебаний, определенный опытным путем (6 = 0,6).
На рис. 4.10 приведены амплитуды колебаний при различных соотношениях времен tx и периода собственных колебаний Тс.
Амплитуда для исполнительной механической системы робота «Универсал-50М» при ускорении, равном g,
где / — длина передающих связей; / = 1,2 м;
у 2= 33-10'4 м4; М = -^р.,
где гк — радиус кисти; гк = 0,5 м; Сгр — вес груза; Сгр = 500 Н; iK — передаточное число исполнительного механизма кисти; iK = = 2.
Тогда М = 250 Н -м; ф0 = 2,28 • 10 ‘2 рад. Амплитуда линейного отклонения центра груза Ао = гкф0 = 11,4-10-3 м.
Анализ кривых показывает, что с увеличением времени tv амплитуда колебаний уменьшается, а вместе с ней уменьшается время колебательного процесса. При 4-0 (кривая /) время
' с
колебательного процесса составляет более шести периодов, при
у- = 0,5 (кривая 2) — пять периодов, 1 (кривая 3) 1 С7 с
два периода. Таким образом, при больших перемещениях с пониженными требованиями к точности позиционирования можно применять характеристику, соответствующую tv = 0, т. е. а = const.
Для перемещений кисти с высокими требованиями по точности позиционирования необходимо иметь переход к характеристике « = const с временем tx = (0,5 -5-0,7) 7С.
Аналогично для позиционирования
фз + 2«ф3 + ысфз = —;"2‘3
ф4 + 2Иф4 -|- 0)сф4 = -,
Ф/З = Фз + Vil V = t — t2lф = ф<2 + ф<3.
Решая эту систему уравнений, получим
Ф„ = —^ (е-пГ sin осГ — ысГ);
ф4 = ■,, [o)cr — sin (ocf"];
Ф<, = -^ [~ «Мз 4- ent' sin tocf — e~" «'-<»> sin «c (tx — /3)].
На рис. 4.11 приведены графики изменения амплитуд А и ф при /3 — h (кривая /), t3 — t^ = 1,57 (кривая 2). Анализ графиков показывает, что при t3 — ^ = 7 колебательный процесс продолжается еще 2—2,5 периода собственных колебаний после окончания движения. При t3— t^ = 1,57 колебательный процесс практически заканчивается с окончанием процесса позиционирования. Поэтому при высоких требованиях к точности позиционирования и к быстродействию необходимо при позиционировании иметь переход от характеристики ф = const к ф = 0 с постепенным уменьшением за время, равное 1,5 периодам, собственных колебаний механической системы. Это позволяет сделать вывод, что основными параметрами, от которых зависит время позиционирования, являются угол закрутки системы при максимальном ускорении, собственная частота колебаний механической системы
и ее демпфирующие свойства.и ее демпфирующие свойства.Для улучшения динамических качеств механической системы необходимо повышать собственную частоту колебаний.
и ее демпфирующие свойства.
и ее демпфирующие свойства.
Рис. 4.11. Изменение амплитуды и фазы колебаний при позиционированииРис. 4.11. Изменение амплитуды и фазы колебаний при позиционированииВывод формулы для определения собственной частоты ко-
Рис. 4.11. Изменение амплитуды и фазы колебаний при позиционировании
Рис. 4.11. Изменение амплитуды и фазы колебаний при позиционировании
pc. 4.12. Расчетная cXeMa исПол- ительной механической системы робота «Универсал-15.01»
лебаний механической системы осуществим исходя из найденных соотношений времен переходных процессов позиционирования и собственных частот.
Время торможения системы tT=ti + (^2 ^1) +
2 ?3фо) ^т-2 ?3фо) ^т-+ (^з — У- Введем обозначения: ^ = ^ — <ь ^з = к — ^2, ^т= —tx + ^2 + ^з- Для равнозамедленного движения путь торможения
2 ?3фо) ^т-
2 ?3фо) ^т-
Так каки /3 = -^-, получим
и)си)с
(4-1)(4-2)(4-1)(4-2)2,5л
(4-1)
(4-2)
(4-1)
(4-2)
®с с•
От /
-тФо
Для малых перемещений, когда ^ = О,
7,85<ро^т
=§7 ‘
Для робота «Универсал-60.02», который предназначен для контактной точечной сварки, собственная частота была определена по формуле (4.2), так как алгоритм движения ПР для контактной сварки соответствует принятому допущению ^ = 0. Путь между сварными точками составляет от 40 до 60 мм при времени 0,3— 0,5 с и ускорении, равном g.
Для удобства расчета преобразуем формулу (4.1). Общее время движения между точками t = tT + tp, где tp — время разгона. К разгону предъявлялись такие требования, как к первой фазе торможения. При этом получим
„ 14,13ф01
Влияние конструктивных особенностей исполнительных механических систем на колебательный процесс рассмотрим на примере исполнительной механической системы кисти робота «Универ- сал-15М», кинематическая схема которой показана на рис. 1.11, а расчетная схема — на рис. 4.12. Она характеризуется наличием «нежестких» передающих связей, на концах которых имеются сосредоточенные инерционные массы привода передающего механизма JIlP и исполнительного механизма кисти J1V Распределенную массу передающей связи Jnc сосредоточим, пользуясь известными соотношениями, по ее концам. Тогда Ji = /пр + ~~ 7ПС;
Л2 = ^к + *у Лчс- Силовая характеристика системы показана на рис. 4.12, а.
В момент равновесия передающая связь с жесткостью с нагружается моментом предварительной закрутки торсиона м/ Передающая связь с жесткостью С2 также нагружается моментом Л4Т, но с обратным знаком, что обеспечивает равновесие системы.
Обе передающие связи работают совместно при прикладывании внешнего момента на участке ф, — ф2. На участке ф > ф3 работает передающая связь с жесткостью Съ на участке ф <q2 — с жесткостью С2. На участке ф2 с ф < ф4 жесткость системы равна Сг + С2. Описанная силовая характеристика является кусочно-линейной, собственную частоту которой удобно находить при помощи графоаналитического метода припассовывания [5]. При этом половина периода колебаний
= — Нг + arcsin 4arccos —— .
2 <ot к 2 1ф! У <о2 ф1 + ф3
Из условия равенства моментов при деформациях ф4 и ф3 найдем их соотношения. Очевидно, что
/И = Л4Т ф- ф3С2; Л4 = (Сх + С2) ф4;
_ ^т Фз^г С4ф2 + ф3С2
- Сх + С2 " С4 + С2 •
Момент затяжки торсиона М,г = ф4С2 и Д4Т = ф2С1; откуда
_ С1
Ф1 Фг с2 •
Для робота «Универсал-15.01» Сг = 0,74-105 Н-м; С2 = 0,07 X X 105 Н -м.
На фазовой характеристике (рис. 4.12, б) показано изменение
-^- от величины угла ф. Анализ графика показывает, что соб
ственная частота системы при деформации ф > ф2 резко снижается (в 1,4 раза). Поэтому необходимо так выбирать величины Ci, С2 и момент затяжки торсиона, чтобы максимальная амплитуда колебаний соответствовала ф < ф2. Для этого требуется выполнить следующие соотношения при различных режимах движения:
при fi = 0, ф = constф2;
Т ^2
при tY = 0,57 г ” < ф2;
'^2
. при 4 = 7 7г-т4гф2.
Момент нагрузки с другой стороны
АГ0 = ±АГ0 = ±Grp^g-KGrp^g-KVK + 3VK + 3GrPrK cos фGrPrK cos ф
АГ0 = ±
АГ0 = ±
Grp^g-K
Grp^g-K
VK + 3
VK + 3
GrPrK cos ф
GrPrK cos ф
где -^"Сгр — масса груза; — Gu — масса неуравновешенных час-
тей кисти.
Введем обозначения: гф0 = Kig; К2 = ,.^:к-; К3 — 41К^ПСк
Максимальное значение коэффициента Кг для робота «Универсал-15.01» составляет 0,012, так как передающая связь одновременно является несущим элементом. Коэффициент К3 для созданных конструкций находится в пределах 0,15—0,3. Тогда
M0 = -^GrprK(4,28/<1rK±l).
Обозначив через К4 коэффициент режима торможения (К4 = = 1,1 4-2,0) и учитывая, что Wj = -^-, получим выражение для вычисления момента закрутки торсиона:
Анализ этого выражения показывает, что минимальный момент закрутки торсиона будет при моменте, направленном в сторону действия силы тяжести. Наиболее действительной мерой по уменьшению максимального момента Мт и увеличению собственной частоты системы является увеличение передаточного числа исполнительного механизма кисти и уменьшение радиуса кисти, а также увеличение жесткости кинематической цепи выбора люфта. Увеличение жесткости КЦ за счет увеличения жесткости отдельных элементов кинематической цепи выбора люфта, исключая тор- сион, не дает существенного эффекта.
На рис. 4.13, а показана силовая характеристика исполнительной механической системы с автономным выбором люфта, характеризующаяся его неполным выбором. Собственная частота такой системы
®1Л Ап
со = й;—т",
2 arccos 2ф0 + Ап
где «, — собственная частота безлюфтовой системы.
Обозначим К = фо^п- Принимая во внимание, что Ап < А, где А— точность позиционирования, а ф0 — (10 4-15) А, можно
выявить влияние люфта на собственную частоту колебаний, построив фазовую характеристику системы (рис. 4.13,6). Значение собственной частоты при реальных
Рис. 4.13. Расчетная схема механиче- ской системы с зазором
6 Шифрин Я. А. и др.
Рис. 4.14. Расчетные схемы определения собственной частоты НМС: а — модель системы; б — расчетная схема; е—д — эпюры от сил
условиях в 1,06—1,125 раза больше собственной частоты безлюф- товой системы. Для практических расчетов можно принять, что со = 1,1 Wj. Анализ собственных частот механических систем с автономным выбором люфта и с выбором люфта дополнительной кинематической, цепи проведем при равных жесткостях передающих связей. Тогда
= (ЗСД-С^. ю = 1д
где о)2 — собственная частота при выборе люфта с использованием устройства, включающего дополнительные кинематические цепи. Так как С2 <^ С], при со2 = со получим С{ = 1,65 Сх.
j Следовательно, для обеспечения одинаковых собственных частот жесткость передающих связей в системе с автономным выбором люфта необходимо увеличить в 1,65 раза.
Рассмотрим влияние конструктивных особенностей на собственную частоту несущей механической системы. Определение собственной частоты несущей механической системы с достаточной точностью проведем, заменив распределенную массу звеньев сосредоточенными массами, расположенными по их концам, а связь между звеньями — упругим шарниром.
На рис. 4.14 показана расчетная схема несущей механической системы, представляющая трехзвенную раму с массами ть т2, т3 в узлах и с податливостями звеньев
eix = е\х +
ety = е\у + eiy>
etp = e'tp + eip, :
где eix, eiy> eip — суммарные податливости z-го звена и его соединения с (z + 1) звеном; е\Х1 е\ц, е1р— податливости z-ro звена в направлении х, у, р; е"х, е"у, е"р — податливости узлов соединения звеньев.
На примере расчета перемещений несущей конструкции руки робота «Универсал-15.01» рассмотрим методику расчета несущей механической системы при максимальном ускорении груза g. Расчетные схемы определения деформаций элементов руки показаны на рис. 4.15.
Перемещения груза от деформации элементов несущей механической системы
6"2£72Z (?ГР + Рк + г ) Z2 + Qjp2 ЧЧРrp>
Р2
Так как
ml4 _ J_ (36.2 _ 1221 = зз. Ю’4 м4; Jz2 - 6464 V
7У2 = 722 = 33-10 4 м4 и 7Р2 = 7-10-4 м4;
то 6У= 1,8.10-2 м; ёг = 0,6-Ю-2 м; 0 =0,028;рад.
Для нахождения соответствующих перемещений от соединения звена длиной /2 со звеном длиной /3 вычислим контактные смещения в заделке, пользуясь расчетными схемами, показанными на рис. 4.16:
Дг = А+к(Дд5+ A^)-Aza:
*3
^-„М^сд^ + А^-Ауд;
Аф = Аф12//4.Аф = Аф12//4.Рис. 4.15. Расчетная схема для определения деформации руки: j .. ,_ u я, } в — модели систем; ^, _е — эпюры от силРис. 4.15. Расчетная схема для определения деформации руки: j .. ,_ u я, } в — модели систем; ^, _е — эпюры от сил
Аф = Аф12//4.
Аф = Аф12//4.
Рис. 4.15. Расчетная схема для определения деформации руки: j .. ,_ u я, } в — модели систем; ^, _е — эпюры от сил
Рис. 4.15. Расчетная схема для определения деформации руки: j .. ,_ u я, } в — модели систем; ^, _е — эпюры от сил
Рис. 4.16. Расчетные схемы определения перемещений схвата в зависимости от де. формации соединения руки со звеном дли. ной
Для нахождения контактных перемещений необходимо найти реакции опор Л и 5:
«л - 77^" + ^-+рк);
_ Ргр1
Заделка несущих штанг робота «Универсал-15.01» имеет следующие параметры:
Z3 = 4-10-1 м; <4 = 1,6-10-1 м;
VVRa = 2500 И; RB = 3500 Н;
V
V
Рф = 2500 Н.
Пользуясь формулой 6 = СтР и графиком СШ=/(6П, d), где Р—внешняя нагрузка; Сш — коэффициент; бп — предварительный натяг шариков; d — диаметр шарика подшипника, можно определить Ард, At/g, Дер. Так как d = 8 мм, Сш = 6,4, то Ra = 420 Н; RB = 580 Н; Рф = 420 Н; Дед = 268 мкм; Дгь = = 370 мкм; Ду' = 268 мкм.
Подставляя эти значения в расчетные уравнения, получим
Дг = 1,952 • 10'3 м; Ay = 1,952-10 3 м; Дер = 0,0033 рад.
Контактную податливость можно выразить через податливость звена длиной Z2. Для этого приравняем соответствующие перемещения, а общая податливость системы будет иметь вид
6а = б^\ + киу
/-м направлении;/-м направлении;где 6V — податливость i-ro звена в /-м направлении; Кц — коэффициент приведения податливости узлов соединения звена i с i + 1 звеном в /-м направлении к податливости i-ro звена в /-м направлении:
/-м направлении;
/-м направлении;
В приводимом примере
Кг2 = Дг/6г2 = 0,32; К№ = Аг//6У2 = 0,11; Кф = Аф/0 = 0,12.
Анализ собственной частоты представленной механической системы удобно проводить в канонической форме; тогда х[{ = = h^i k—miXjY
Как показывает расчет, наименьшую жесткость, а следовательно, и наименьшую частоту ПР имеет в горизонтальной плоскости. Поэтому анализ выражения собственной частоты при различных конструктивных параметрах проведен для горизонтальной плоскости.
Для несущей механической системы (см. рис. 4.14) уравнения : перемещений в горизонтальной плоскости имеют вид
X, 622^^2 1 ^25^2^5 Н ^28т3^81
х5 + 652m1x2 + 655m2f 5 + 6ь8т..х8 = 0;
Х8 + ^/Я^г + 6S5W2*5 + Is^A = 0.
истема имеет ненулевое решение, если определитель
(1 — С02622/П1)— <02628/Л2— С02б28^з
— С02д62/И1(1 —С)2^55/Л2)—С^бв^З
— (О2д82/И1— (О2д82/И1— со2б86щ2 (1 — ы‘2688т3)
— (О2д82/И1
— (О2д82/И1
После решения определителя и приведения подобных членов получим
№ 4- Ьт4 — сы2 4-1=0,
где
а = 6226586 86m1ffl2m3 — ^^mxm^ + S^^m^m., —^28^58^82mim2m3’
b = б226й5/Л1/Л2 — ^22^88^1^3^55^88^2^3 4" ^58^86^2^3 “Г
4" ^^m, 4- 62b682m1m3;
C = 622W1 + 65б/»2 + ^88^j*
Определим коэффициенты влияния, построив эпюры от единичных сил направления оси X (см. рис. 4.14, в—д):
Рис. 4.17. Зависимости собственной частоты НМс от конструктивных особенностей звена длиной /3 / — двухбалочная конструкция; 2 — конструк. ция коробчатой формы; У3 — момент инсрцци третьего звена; J2 — момент инерции второго звена
Расчет собственной частоты механической системы проводился на ЭВМ для различных соотношений жесткости звеньев. На рис. 4.17 показана зависимость собственной частоты от изменения жесткости звена длиной /3. При жесткости звена длиной /3момент инерции 73 > 10 J2 дальнейшее повышение жесткости не оказывает заметного влияния на собственную частоту ПР. Повышение собственной частоты колебаний за счет повышения жесткости звена длиной /3 наиболее приемлемо для ПР, работающих в сферических координатах, так как это звено находится над основанием робота.
Анализ влияния несущей конструкции руки робота проведем, допустив, что С3 = ОО.
На рис. 4.18, а показано влияние массы звена mj и длины звена 1г на собственную частоту, выраженных в относительных единицах. На рис. 4.18, б показано влияние изменения собственной частоты колебаний в зависимости от податливости звена длиною /3, моментов инерции сечений несущей системы руки J.2, Jp2) выраженных в относительных единицах. За базовое значение
робота «Универсал-15М», имеющие ин-робота «Универсал-15М», имеющие ин-приняты характеристики деке 6. Тогда
робота «Универсал-15М», имеющие ин-
робота «Универсал-15М», имеющие ин-
1 —7^"’1 —7^"’/.V26; '- ^г2 ./.V26; '- ^г2 .т2т27ггбграфики,7ггбграфики,«26 ’можно сделать следующие выводы.«26 ’можно сделать следующие выводы.АнализируяАнализируяРис. 4.18. Изменение собственной частоты НМС от конструктивных особенностей звеньев длиной Ц и ?2: ^i —длина звена 1; J^ w полярный момент инерции звена 2; J^ —момент инерции изгиба звена 2Рис. 4.18. Изменение собственной частоты НМС от конструктивных особенностей звеньев длиной Ц и ?2: ^i —длина звена 1; J^ w полярный момент инерции звена 2; J^ —момент инерции изгиба звена 2
1 —7^"’
1 —7^"’
/.
V26; '
- ^г2 .
/.
V26; '
- ^г2 .
т2
т2
7ггбграфики,
7ггбграфики,
«26 ’
можно сделать следующие выводы.
«26 ’
можно сделать следующие выводы.
Анализируя
Анализируя
Рис. 4.18. Изменение собственной частоты НМС от конструктивных особенностей звеньев длиной Ц и ?2: ^i —длина звена 1; J^ w полярный момент инерции звена 2; J^ —момент инерции изгиба звена 2
Рис. 4.18. Изменение собственной частоты НМС от конструктивных особенностей звеньев длиной Ц и ?2: ^i —длина звена 1; J^ w полярный момент инерции звена 2; J^ —момент инерции изгиба звена 2
рис. 4.19. Схема установки
Увеличение жесткости звена длиной к (кисть) незначительно влияет на повышение собственной частоты (рис. 4.18, кривая 2) несущей конструкции руки. При увеличении жесткости в 2 раза собственная частота возрастает только от 21,7 до 22.
Увеличение жесткости звена длиной к (рис. 4.18, кривая 3) в направлении оси Y за счет увеличения диаметра несущих штанг также не дает должного эффекта из-за большой крутильной податливости конструкции. Увеличение момента инерции несущих штанг в 1,3 раза (рис. 4.18, кривая 4) повышает собственную частоту от 21,7 до 24,6, а увеличение момента инерции
в 1,5 раза — до 32,5. Наибольший эффект дает применение коробчатой или корытообразной формы, когда полярный момент инерции равен сумме моментов инерции относительно осей Y и Z. Для такой несущей системы даже при прежнем моменте инерции собственная частота увеличивается от 21,7 до 41,8 (рис. 4.18, кривая 6).
Уменьшение радиуса кисти робота дает наибольший эффект для повышения собственной частоты. Так, снижение длины до 0,7^ (рис. 4.18, кривая /) дает увеличение собственной частоты с 21,7 До 57, а снижение длины кисти до 0,5к дает увеличение собственной частоты до 370.
Изменение массы звена длиной /2 незначительно влияет на собственную частоту. Например, увеличение массы в 2 раза уменьшает собственную частоту с 21,7 до 21,6 (рис. 4.18, кривая 2), а уменьшение массы в 2 раза увеличивает собственную частоту с 21,7 до 22,4.
Уменьшение длины звена к дает значительное повышение частоты. Поэтому при необходимости реализации наиболее динамичных и точных перемещений их необходимо выполнять с возможно меньшим вылетом руки робота.
Исследования несущей механической системы робота «Универ- сал-15.01» . Целью исследований несущей механической системы робота «Универсал-15.01» являлось определение частоты собственных колебаний при различных нагрузках и положениях исполнительных органов, параметров колебательного процесса несущей механической системы, влияния конструкции робота на параметры колебательного процесса.
Установка для исследований (рис. 4.19) создана на базе образца робота «Универсал-15.01», который был оснащен необходи-
Рис. 4.20. Схемы тарировки датчиков:
а — индуктивных датчиков положения; / — микрометрический винт; 2 — датчик положения; б — схема тарировки тензометрических датчиков изгиба; 3 — тензометрический датчик изгиба; 4 — индикатор; в — схема тарировки тензометрических датчиков кручения; 5 — датчики кручения
мыми датчиками. С корпусом / руки жестко связана рама 4, в передней части которой на равном расстоянии от продольной оси кисти установлены индуктивные датчики 5 линейных перемещений ДИ-2, наконечники которых имеют контакт с корпусом кисти. На несущих шестигранных валах были наклеены тензометрические датчики изгиба 2 и кручения 3. В нагнетающей и сливной полостях гидроусилителя поворота руки были установлены датчики давления ДИ-150. Для фиксации в абсолютной системе координат перемещения груза, зажатого в схвате робота при позиционировании на стойке 7, был установлен специальный датчик 6, созданный на базе многооборотного потенциометра ППМЛ.
В качестве датчика скорости был использован электродвигатель постоянного тока СЛ-121, соединенный с механизмом вращения руки. Датчики через гибкие кабели были связаны с усилительной аппаратурой и светолучевым осциллографом И-115. Схемы тарировки датчиков показаны на рис. 4.20. Полученные тариро- вочные кривые имеют в рабочем диапазоне измерений линейный характер. Запись осциллограмм проводилась при работе робота в автоматическом режиме. С помощью СПУ ПУР-2М были записаны две точки позиционирования 1 и 2 (рис. 4.19). В точке 2 была установлена стойка с потенциометрическим датчиком положения. На шток датчика нажимал торец детали, зажатой в схвате ПР.
При проведении экспериментов изменялись следующие параметры: масса переносимого груза, положение кисти относительно несущих штанг руки, жесткость механической системы (при изменении вылета руки).
168
Испытания проводились при режимах, у которых характеристика разгона и торможения соответствовала скачкообразному приложению максимального ускорения (режим ух); достижению максимального ускорения за время, равное одному периоду собственных колебаний механической системы (режим у2); достижению максимального ускорения за время, равное 1,5 периодам собственных колебаний системы (режим у3).
В табл. 4.1 приведен план экспериментальных исследований, в котором приняты следующие обозначения параметров. Каждое испытание обозначено четырехзначным кодом. Первая цифра кода выражает величину массы тг перемещаемого груза: 1 (0 кг), 2 (5 кг), 3 (16 кг), 4 (40 кг). Вторая цифра кода служит символом скоростной характеристики: 1 (у^, 2( у2), 3 (у3). Третья цифра кода обозначает угол ср наклона кисти: 1 (0 рад), 2 (0,523 рад), 3 (1,046 рад), 4 (1,57 рад). Четвертой цифрой кода обозначен вылет / несущих штанг: 1 (1 м), 2( 0,6 м), 3 (0,1 м).
На основании обработки осциллограмм (рис. 4.21) построены графики (рис. 4.22, 4.23) с зависимостями амплитуды колебаний, характеризующие влияние жесткости механической системы, положения кисти и нагрузки. Анализ осциллограмм подтвердил наличие колебательного процесса механической системы с затуханием.
Колебания возникают в характерных точках движения, где изменяется ускорение. Наихудшей с точки зрения амплитуды
4.1. План проведения экспериментов
а р
Вылет несущих штанг руки
s В
с о g та «и т
1 =
1 м
/ = 0,6 м
/ =
), 1 м
^
ф*
Ь а
S S и
Фх
Фе
фз
Ф4
Ф1
ф2
Фз
ф*
Ф1
ф2
Фз
0
1111
1121
1131
1141
1112
1122
1132
1142
1113
1123
1133
1143
5
2111
2121
2131
2141
2112
2122
2132
2142
2113
2123
2133
2143
1
16
3111
3121
3131
3141
3112
3122
3132
3142
3113
3123
3133
3143
40
4111
4121
4131
4141
4112
4122
4132
4142
4113
4123
4133
4143
0
1211
1221
1231
1241
1212
1222
1232
1242
1213
1223
1233
1243
5
2211
2221
2231
2241
2212
2222
2232
2242
2213
2223
2233
2243
2
16
3211
3221
3231
3241
3212
3222
3232
3242
3213
3223
3233
3243
40
4211
4221
4231
4241
4212
4222
4232
4242
4213
4223
4233
4243
0
1311
1321
1331
1341
1312
1322
1332
1342
1313
1323
1333
1343
5
2311
2321
2331
2341
2312
2322
2332
2342
2313
2323
2333
2343
16
3311
3321
3331
3341
3312
3322
3332
3342
3313
3323
3333
3343
40
4311
4321
4331
4341
4312
4322
4332
4342
4313
4323
4333
4343
Примечание. (pi =
о рад; <р2 = 0,523 рад; <р, = 1,046 рад; <р4 = 1,57 рад.
датчиков:' О'1’™1^™-. колебаний несущей механической системы в показаниях
скорости РУки^дГ^ да°чикРизгиба- Л?—ИпЯ-?аТЧИКИ положения кисти; ДЗ — датчикиия; Д6 — датчик кручения ’ ^ Д тчик положения в точке позициоиирова-
иия; Дз
— датчик кручения
Рис. 4.22. Зависимость амплитуды колебаний от изменения ускорения (а) и нагрузки (бу.
/ - при тг = 0; 2 — при тт ^ 5 кг; 3 — прн т = = 16 кг; 4 — при т = = 40 кг; 5 — при ф = рад- 6 — при ф = 1,05 рад; 7 — при ф = 1,57 рад
Рис. 4.23. Изменение периода собственных колебаний от нагрузки:
/ — при /2 = Юо мм; 2 — при /2 = 600 мм; 3 — при Z2 ~ 1000 мм
и времени затухания колебаний является динамическая характеристика со скачкообразно изменяющимся ускорением. Для такого режима при массе груза 40 кг время затухания колебаний до амплитуды 0,5 мкм составляет 1,8 с, что по требованию быстродействия ПР является недопустимым.
Амплитуда колебаний механической системы пропорциональна рывку (Да) и массе переносимого груза. Максимальная амплитуда соответствует углу наклона кисти, равному 1,57 рад, так как при этом деформации от кручения несущей конструкции руки имеют максимальное значение. Анализ соотношений между деформациями изгиба и кручения механической системы показывает, что на деформацию изгиба приходится 30—40 % суммарной деформации. Это подтверждает необходимость учета нагрузок кручения на несущую механическую систему. Таким образом, амплитуда колебаний может быть существенно снижена за счет уменьшения радиуса кисти и увеличения крутильной жесткости механической системы ПР. С увеличением массы груза в 2 раза собственная частота механической системы уменьшается на 10 %, что говорит о наличии большой ошибки при определении собственной частоты колебаний при помощи одномассовой модели. Сопоставление полученных экспериментальных данных и расчета собственной частоты с помощью модели, рассмотренной выше, показывает, что такая модель позволяет определить собственную частоту колебаний с допустимой для практических расчетов ошибкой. Период собственных колебаний, полученный расчетным путем, 0,33 с. Период собственных колебаний, полученный экспериментальным путем, 0,37 с. Ошибка составляет 11 %.
С другой стороны, полученные экспериментальным путем значения собственной частоты для вылета несущих штанг длиной / = 0,1 м при отсутствии нагрузки подтверждают необходимость учета жесткости узлов соединения звеньев.
Вывод, сделанный ранее о том, что при жесткости С3 > 10 С2 податливость звена длиной /3 можно не учитывать, подтвержден экспериментально. Высокая жесткость механической системы ПР, включающей поворотную платформу, направляющие механизма сдвига, проставок, обеспечивает ее незначительное влияние на уменьшение частоты собственных колебаний. Практически частота собственных колебаний конструкции равна частоте собственных колебаний несущей конструкции руки. На осциллограммах пики колебаний механической системы (см. рис. 4.21, кривая Д5^ совпадают с пиками колебаний несущей конструкции руки (см. рис. 4.21, кривые Д1, Д2\
Экспериментально подтверждена справедливость допущения о том, что колебания механической системы происходят в результате кинематического возбуждения. Логарифмический декремент затухания для исследуемой системы лежит в пределах 0,4—0,7. Экспериментально подтверждена необходимость корректировки характеристики торможения с постоянным ускорением. В начале 171
торможения время нарастания ускорения должно составлять 0,5—0,7 периода собственных колебаний. В конце торможения (точка позиционирования) уменьшение ускорения до нуля должно происходить за время, равное 1 —1,5 периодам собственных колебаний.
Практическое использование результатов исследований механических систем проводилось в процессе проведения конструкторских работ по созданию робота «Универсал- 15М» и его модификаций.
Выше было отмечено, что улучшение динамических качеств исполнительной и несущей механических систем наиболее эффективно достигается посредством уменьшения длины кисти, увеличения передаточного числа исполнительного механизма кисти, уменьшения массы перемещаемых деталей кисти робота.
Классическая конструкция кисти характеризуется наличием дифференциального механизма, на выходном звене которого закреплен пневмо- или гидроцилиндр привода схвата.
Приведенные рекомендации были реализованы в конструкции робота «Универсал-60.01» (см. рис. 1.23), в котором длина кисти уменьшена на 40 % за счет расположения привода схвата внутри оси качания, уменьшена масса перемещаемых деталей кисти на 20 % за счет ликвидации корпуса качания кисти и выполнения выходного зубчатого колеса несущим, увеличено передаточное отношение с 2,5 до 4.
При разработке несущей механической системы роботов «Универсал-15.01» и «Универсал-60.01» необходимая жесткость достигнута за счет увеличения жесткости узлов, находящихся над основанием, и введения для робота «Универсал-60.01» каретки руки корытообразной формы (см. рис. 1.4, 1.22).
Жесткость несущей механической системы робота «Универ- сал-15.01» обеспечена посредством установки в опоре поворота руки в горизонтальной плоскости упорного подшипника; уменьшения силы на радиальные подшипники вследствие увеличения расстояния между ними; введения стяжек направляющих сдвига и коробчатой конструкции проставка; уменьшения расстояния до оси качания руки за счет расположения ее в приливах на нижнем торце корпуса руки; уменьшения длины шестигранных несущих валов за счет смещения корпуса руки от оси вращения руки и кисти.
Несущая каретка робота «Универсал-60.01» имеет утолщения в наиболее удаленных местах и ребра в узлах профиля, что увеличивает ее момент сопротивления изгибу и кручению. На рис. 1.22 показано устройство затяжки торсиона, позволившее резко увеличить жесткость кинематической цепи выбора люфта посредством введения параллельно торсиону жесткого вала, через который соединяется кинематическая цепь после выбора люфта.
При разработке исполнительной механической системы робота «Универсал-50М1» резко уменьшена масса перемещаемых узлов 172
рис. 4.24, Кинематическая схема ориентирующих движений робота «Универ-сал-50М I»рис. 4.24, Кинематическая схема ориентирующих движений робота «Универ-сал-50М I»
рис. 4.24, Кинематическая схема ориентирующих движений робота «Универ-
сал-50М I»
рис. 4.24, Кинематическая схема ориентирующих движений робота «Универ-
сал-50М I»
вследствие переноса механизма разделения движения (дифференциальный редуктор) на вход гидроусилителя, где его элементы выполнены мелкомодульными. Кинематическая схема ориентирующих движений [А. с. № 525542 (СССР) ] показана на рис. 4.24. Движение от привода гидроусилителя / идет по двум кинематическим цепям. Первая цепь включает вал 2, гидроусилитель 5, редуктор 6, вал 7, конические колеса 8, 9. Вторая цепь включает зубчатые колеса 4, 3, 16, 17, дифференциал 18, гидроусилитель 15, редуктор 14, вал 13, конические зубчатые колеса 12, 11, 10. За счет вращения с одинаковой скоростью вала 2 и выходного вала дифференциала 18 валы 7, 13 также имеют одинаковую скорость, что обеспечивает качание кисти при неподвижном схвате.
Для вращения схвата движение от привода гидроусилителя 19 передается на дифференциал 18, гидроусилитель 15, редуктор 14, вал 13, конические зубчатые колеса 12, 11, 10. Приведенные испытания руки показали, что посредством такой конструкции удалось увеличить скорость на 30 %, а точность повысить от ±3 мм до ±1 мм, уменьшив общую массу исполнительного механизма на 60 кг.
НАДЕЖНОСТЬ ПР
Основные понятия статистической теории надежности. Надежностью ПР называют способность работать исправно (безотказно) в течение определенного времени. Под исправной работой обычно понимают нормальное выполнение ПР всех своих функций в пределах заданных допусков. Надежность ПР обусловливается безотказностью, ремонтопригодностью, сохраняемостью, долговечностью.
Ниже рассмотрим как надежность системы (ПР, система программного управления или управляющее устройство и т. п.) в целом, так и надежность единичной рабочей части — элемента (схват, редуктор, рука манипулятора и т. д.). Система — совокупность действующих элементов, предназначенная для самостоятельного выполнения определенной практической задачи. Элемент — рабочая часть системы, способная выполнять определенные функции в системе. Элементы такой сложной системы, как ПР, делятся на элементы первого (манипулятор, привод и т. д.) и второго
4.2. Показатели безотказности
Закон определения времени безотказной работы
Показатели безотказной работы для робота (восстанавливаемое техническое устройство)
Экспоненциальный
Нормальный
Другие (в том числе неизвестный)
Вероятность безотказной работы для заданного времени Р (Г) или наработка на отказ Т или параметр потока отказов X’
Р№, т
Р (0, вероятность безотказной работы за половину заданного времени Р ((/2)
(для манипулятора — основание, рука и т. д.) уровней. По отношению к элементам второго уровня элементы первого уровня являются системами. Любую систему можно разбить на элементы двух видов: электрические, механические, к которым обычно относят пневматические и гидравлические элементы.
Элементы и состоящие из них системы могут находиться в двух основных состояниях: исправном или работоспособном, неисправном или неработоспособном. Неисправностью называют всякое несоответствие элемента (системы) нескольким требованиям, предъявляемым к нему (ней).
При потере работоспособности ПР или отдельных его элементов отказавшие системы или элементы обычно заменяют или ремонтируют, что приводит к восстановлению работоспособности ПР. Для таких технических устройств, как ПР, показатели безотказности определяются табл. 4.2.
Величину р (<) часто называют функцией работоспособности. Значения наработки на отказ, параметра потока отказов выбирают так, чтобы обеспечивались соответствующие значения Р(/). Согласно ГОСТам показатели безотказности устанавливают для следующих условий: температура окружающего воздуха 293 ± ± 5К; относительная влажность 30—80 %; атмосферное давление (0,84—1,066) 10й Па; отклонения напряжения питания сети от +10 до —15 %; частота питания переменного тока 50 ± 1 и 400 ± 12 Гц; отсутствует влияние электрических и магнитных полей, кроме земного, на работу ПР; отклонение давления питания от его номинального значения на ±10 %; механические воздействия практически отсутствуют; значения нагрузки — в соответствии со стандартами или техническими условиями на ПР.
Для восстанавливаемых (ремонтируемых) ПР в качестве основных показателей ремонтопригодности применяют: Ри (/) — вероятность восстановления за заданное время; Тср. „ — среднее время восстановления, представляющее собой математическое ожидание времени восстановления работоспособности.
Основными показателями сохраняемости ПР являются: 7Сохр— гамма-процентный срок сохраняемости, представляющий продолжительность хранения и транспортировки, в течение и после ко- 174
торой у гамма-процентов ПР сохраняются эксплуатационные показатели, установленные в технической документации на эти ПР: ^ср. сохр — средний срок сохраняемости.
Основными показателями долговечности ПР являются: Тср. сл— средний срок службы; T^p.p — средний ресурс; ур — гамма-процентный ресурс, представляющий продолжительность работы, в течение которой у гамма-процентов ПР сохраняются эксплуатационные показатели, установленные в технической документации на эти ПР.
Номенклатура значений показателей надежности выбирается исходя из технической и экономической целесообразности, с учетом назначения, конструкции, особенностей эксплуатации, характера и масштаба производства ПР.
В настоящее время для большинства отечественных ПР в технических условиях отражаются показатели: безотказности — наработка на отказ Т, ремонтопригодности — среднее время восстановления Гср.в, долговечности — средний срок службы Т’ср.сл! показатели сохраняемости — не устанавливаются.
ГОСТ 13216—74 позволяет кроме указанных показателей надежности применять такие комплексные показатели, как коэффициент готовности Кгот и коэффициент технического использования Кт. и, но их нормировка в технических условиях производится редко. Значительно чаще оговаривается допустимое время непрерывной работы-.
В табл. 4.3 приведены данные надежности для ряда отечественных ПР.
4.3. Показатели надежности некоторых отечественных роботов
Робот и его управляющее устройство
Показатели надежности
Наработка на отказ,
Средний срок службы до капитального ремонта, лет
Допустимое время ие- прерывиой работы, ч
РФ-201М
Управляющее устройство
МП-9
Управляющее устройство «Универсал-5М»
Управляющее устройство
«Циклон-3 Б»
Управляющее устройство «Универсал-15.01»
Управляющее устройство
«Универсал-50.01»
Управляющее устройство
РФ-1
Управляющее устройство УПМ-331,
УПМ-552, УПМ-772
«Ритм-01»
250
1000
140
200
140
400
100
200
250
100
630
140
6
2
5
5
5
5
6
6
5
5
5
5
20
6
6
16
16
20
20
Как видим, для ПР наработка на отказ имеет довольно большой разброс, хотя уровень разработок и качество изготовления на порядок не отличаются. Просматривается тенденция для ПР с цикловой системой программного управления, выпускаемых серийно большими партиями, в технических условиях оговорить величину наработки на отказ до 400 ч, для ПР с позиционной системой программного управления до 200—250 ч.
Опыт отработки ПР показал, что большие затруднения вызывают выбор и составление плана последовательных испытаний на надежность. Так, экономические и технические возможности для ПР с цикловой системой программного управления позволяют принимать риск поставщика а = 0,1 и риск потребителя р = 0,2 при отношении приемочного значения наработки на отказ к браковочному Т0П\ = 2. Для ПР с позиционной системой управления приходится брать аир равными 0,2 или даже 0,3 при отношении TJ7\ = 2-^2,5. В последнем случае приемочный уровень наработки на отказ снижается до 100—150 ч. Но и эти значения наработки на отказ во многих случаях выше, чем показатели надежности остального технологического оборудования, входящего в состав РТК-
Что же касается среднего срока службы до капитального ремонта, то большинство разработчиков останавливается на 5- 6 годах. Это подтверждается имеющимися у авторов данными ряда предприятий, эксплуатирующих ПР, причем 6 лет — более предпочтительный срок. По мере накопления статистических данных можно будет провести детальный анализ проблемы надежности ПР.
Государственными стандартами предписывается указывать показатели надежности в стандартах, технических условиях и технических заданиях на разработку и модернизацию ПР. Для многоканальных и многофункциональных ПР номенклатуру и значения показателей надежности рекомендуется устанавливать по каждому каналу и для каждой функции в отдельности. Это до настоящего времени многими разработчиками не регламентируется. Отсюда трудности в отработке систем программного управления (управляющих устройств) и особенности при их стыковке с манипуляторами.
В техническом задании на разработку новой, а также модернизацию существующей модели ПР указывают способы подтверждения показателей надежности на стадии разработки, например, аналитическим или экспериментальным путем, или смешанным. До сих пор вызывает трудности не только установление номинальных значений показателей надежности, но и допустимых пределов их изменения. В стандартах и технических условиях на ПР отражаются необходимость, продолжительность и режимы приработки. Усложнение систем программного управления, введение отдельной стойки для электропривода, развитие кооперации при изготовлении ПР — заставляют увеличивать время и ужесточать режимы приработки. Для некоторых опытных тиристорных электро- 176
приводов время приработки доходит до 100 ч, хотя, как показал опыт подготовки к серийному производству, его можно снизить до 25 ч.
Основными объективными факторами, определяющими надежность ПР, являются при проектировании: число и качество элементов, способ их подключения в схеме (чем сложнее элементы, тем ниже надежность), режимы работы отдельных элементов, запасы по прочности и устойчивости деталей, запасы устойчивости элементов системы программного управления, степень стандартизации элементов и их деталей, степень унификации схем, доступность элементов для осмотра и ремонта, наличие в схемах устройств для непрерывного контроля за состоянием и режимами работы элементов; при производстве: технический уровень завода- изготовителя, степень контроля качества применяемых металлов и материалов, чистота оборудования рабочих мест, качество контроля технологических операций; при эксплуатации: воздействие внешних условий (климатических, специальных, биологических и факторов времени), число и качество профилактических мероприятий (ежедневные осмотры, техническое обслуживание и другие регламентные работы).
Связь критериев прочности и жесткости с показателями надежности ПР. Вероятность безотказной работы манипулятора ПР в общем виде можно представить как
Р = РаР^с^ (4-3) где ра — вероятность безотказной работы вследствие достаточной прочности и жесткости манипулятора ПР; рост — вероятность безотказной работы вследствие отсутствия остальных отказов (отказы СПУ и т. д.).
Вероятность безотказной работы, как известно из теории вероятностей, можно определить по формуле
Р = ^ — <7а)(1 — </ост),
где qa и q0CT — вероятность реализации аномальных режимов работы вследствие недостаточной прочности и жесткости манипулятора ПР и других причин соответственно.
Пусть о|ф — предел прочности при растяжении наименее надежного узла манипулятора ПР. Тогда условие возникновения отказа при растяжении наименее надежного узла манипулятора ПР примет вид
Овр — Ор = Лор < 0, (4.4)
где ар — действительное значение напряжения при растяжении наименее надежного узла манипулятора ПР.
Введем случайные относительные отклонения безразмерных
критериев о:
(4.5)(4.5)- °р — стр ._ °вр °вр
(4.5)
(4.5)
аР=Оо
арвр
и коэффициента запаса прочности при растяжении
% =(4-6)
р
где индекс 0 относится к математическому ожиданию величины а С учетом формул (4.5) и (4.6) условие (4.4) примет вид [25]
6стр = ^ = (% - 1 +~ ар) < °-(4-7)
Аналогично при использовании в качестве параметрических критериев: ави — прочность при изгибе наименее надежного узла манипулятора ПР; аи— действительное значение напряжения при изгибе наименее прочного (надежного) узла манипулятора ПР; Оу — допустимое напряжение на устойчивость; а— действительное напряжение на устойчивость наименее надежного узла манипулятора ПР получим
6ои = («ОИ - 1 + «аноьи - аи) < 0;(4.8)
6а = (нст — 1 4- поду — а) < 0,(4.9)
авн°у. .
где па = —тг- и па = -£ — коэффициенты запаса прочности при
ао
изгибе и жесткости (устойчивости); ави = вн——; аи = °ни
ои - °и - ау -О - О»
=a S Оу =„ , а =s— — значения относитель-
0°°°
ных величин критериев ави, ои, ау и а.
Уравнения (4.7)—(4.9) образуют систему, характеризующую условия ненормальной работы манипулятора ПР. Каждое из этих неравенств имеет вид
бх^^-г + пЛ^р-х.хо,(4.Ю)
где i = 1,3.
На практике под воздействием многочисленных факторов всегда имеет место разброс Х(-пр—Хь т. е. 5Х,-=# 0. Поэтому отклонения можно считать подчиняющимися нормальному закону распределения.
Рассмотрим случай, когда все 6XZ взаимонезависимые величины. Тогда, учитывая теорему, гласящую о том, что для независимых случайных величин 6XZ (i ~ 1,3) плотность нормального распределения случайных величин равна произведению плотностей нормального распределения отдельных величин, явля- 178
[ощихся составляющими трехмерного случайного вектора 5XZ,7ы3 (6Х; < 0) =^ х
<=1>3/^ П уо^
1=1
у f f exo (। ... । [6X3-(6X3)Q]^
X J J *Г 2D6X1+2D^
X d (6XJ . . . d (6X3)(4.11)
или 30
и.-. («.<»)-/7f A- J ехр(-!«Д^Ща(6Л,)1
(4-12) где D&Xi — дисперсия случайной величины 6XZ.
Если максимум плотности вероятности реализуется при расчетных значениях случайных величин, т. е. при XZnp = 0 и X, = = 0, ТО 6Х; = П; — 1,
П( [6XZ - (6XZ)”]max I2 \пр max + xi max Г(л i ox
3j = I3J ' I4 •1 где XZnpmax и XZmax — известные возможные в рассматриваемых условиях^ максимальные разбросы относительных отклонений ^Z пр и Xz.
Xt др шах и Xi П!ах можно определить, линеаризуя асимптотические выражения для них и задавшись практически возможным разбросом соответствующих характеристик манипулятора.
Введем новую переменную
(4-14)(4-14)(4.15)(4.16)(4.15)(4.16)№t - (6X,)Q
(4-14)
(4-14)
(4.15)
(4.16)
(4.15)
(4.16)
V D№i
Тогда вместо формулы (4.11) получим
71-з (бХ< < 0) = П [ Т -ф (т-)] ’
№°iщ-\ .
где пч = —:—- =;
V D6X[V в6Х[
Ф ^ = I e 2 dti ~(4-17)
o
табулированная функция Гаусса.
В первом приближении будем рассматривать только условия Реализации нарушения прочности от изгиба и понижения жест-
71-2 (У У = 4 0 — 2Ф ^ -71-2 (У У = 4 0 — 2Ф ^ -(4-19)(4.20)(4-19)(4.20)m2m2nQ — inQ — i
71-2 (У У = 4 0 — 2Ф ^ -
71-2 (У У = 4 0 — 2Ф ^ -
(4-19)
(4.20)
(4-19)
(4.20)
m2
m2
nQ — i
nQ — i
Рнс. 4.25. График связи вероятности реализации аномальных режимов, запасов прочности и жесткости (устойчивости) и дисперсии случайных величин и DK*
ООи ОО
Условия расчета mt = т8, Ф (т^ = Ф (т2),
DbOn D^°
Кривые ...1234567$
[13 51015 20253040
кости ниже допустимого значения.
Тогда формула (4.15) примет вид
-2Ф(т2)[1-2Ф(т1)]}, (4.18)
где, очевидно,
^Ои — 1
Z7L = —г.
Результаты расчета по формуле (4.18) показаны на рис. 4.25.
Изложенная методика позволяет найти подобные зависимости и при любых других законах распределения величин 6аи и ба. Вероятность безотказной работы вследствие отсутствия потери прочности от изгиба и устойчивости
Pi-a— 171-з (^1» ^)*(4-21)
Пусть о = f (аи) и ау = F (ави), например, вида
g = B(\ + аиГ,(4.22)
где В и е — некоторые константы.
Часто эта связь проявляется слабо (в <^ 1), однако она имеет место и ее необходимо учитывать. Если аи мало влияет на ст и а0, то при аи < 1 и Ови < 1 и в > 0 можно вместо формулы (4.22) использовать выражение а В (1 -у ваи), полученное разложением её в ряд Ньютона. Переходя к относительным величинам, получим
6o = -^ = ^^-SM-(4-23)
Таким образом, 6аи и 6а, а также 6авп и 6ау связаны линейными зависимостями вида аХ — У = 0. В этом случае двумер' 180
[бои - (беи)0!2 )®bon J[бои - (беи)0!2 )®bon JX ехрX ехр[ба — (ба)0]31[ба — (ба)0]31d (6а).d (6а).(4.24)(4.24)
[бои - (беи)0!2 )
®bon J
[бои - (беи)0!2 )
®bon J
X ехр
X ехр
[ба — (ба)0]31
[ба — (ба)0]31
d (6а).
d (6а).
(4.24)
(4.24)
ная совместная функция распределения согласно формуле (4.11)
1оо
2 ($^70) — DT7~Da^ J ^ ^аи [ еХР
160
Как видим, в уравнении (4.24) нижний предел интегрирования изменен: вместо —оо стоит ба — величина, ограничивающая предел изменения функции распределения снизу вследствие наличия связи между баи и ба, а также баШ1 и 6ау. Введем новые переменные вида (4.14):
6аи — (баи)°6аи — (баи)°и /2 =и /2 =6 а — (бо)°^Що6 а — (бо)°^Що(4.25)(4.25)
6аи — (баи)°
6аи — (баи)°
и /2 =
и /2 =
6 а — (бо)°^Що
6 а — (бо)°^Що
(4.25)
(4.25)
В этих переменных условию (4.23) соответствует равенство
atx + /2 + с = 0,(4.26)
где / Drg V1
^ = -52; ^--^W-S.ada^].(4.27)
При этом —mt—m2
71-2^1- ^2) = ^f j Л1 J exp (—A) exp (y) dt4. (4.28) — oo7
—l2
Величину ^2 найдем из равенства (4.26):
^2 — ^1 4" ^-
Рассмотрим на плоскости ^, ^ (рис. 4.26) условия, при которых справедлива формула (4.28). Во-первых, отметим, что одновременное выполнение двух неравенств (4.8) и (4.9) свидетельствует о том, что случайная точка М (^ь 4) попадает в область D, ограниченную линиями tx т1 const и осью ординат,
ЛИНИЯМИ /2^2 т2 И ^2
= atx с, т. е. одной из линий ^—6 в зависимости от знака
Рис. 4.26. Определение области примене-
Ния функции (a,
Л*Г а > О, с > 0; 2 — а > 0, с = 0; 3 — л °’ с < 0; 4 — л < 0, с > 0; 5 — а < с = 0; 6 — а<0, с < О
коэффициентов а и с и физического смысла (71-2 > 0). Во-вторых, расположение линии ?2 = я^1 + с зависит от знака коэф- фициентов а и с. Так, если а > 0 и с > 0, то получим линию 1, при с = 0 получим линию 2 и т. д. В-третьих, внутри указанной области случайные величины ^ и t.2 практически независимы. Это свидетельствует о том, что разброс относительной величины аи не влияет на условия возникновения оу и наоборот. В действительности, всегда а < 0, так как В2 > 0, О^ > 0 и Ща > 0. Что же касается коэффициента с, то его знак определяется неравенством (бои)° с -J— (бо)°. Следовательно, физический смысл имеют линии 4, 5, 6. Иначе говоря, так как (бои)° = пСи — 1 и (6а)° = па — 1, если запас по прочности больше запаса по устойчивости (пОи > по), то с > 0. Наоборот, если по < по, то с < 0.
Сказанное позволяет утверждать, что при принятых ограничениях формула (4.28) справедлива для рассматриваемого случая. После интегрирования получим
-—
71-2 (^1- Ч) =ф (^ е 2 ^iТФ ^ t1 * 2Ф W
V 2л J
(4.29)
где Ф (t^ = ■ L. J е 2 d/2 — табулированная функция Гаусса, о
При применении теоремы о среднем
71-2 Ui, ^) = ^ (1 - 2Ф (mJ [Фср (?2) - Ф (т2)]},(4.30)
где Фср (Г2) = -^-[Ф(с) + Ф(апч + с)].
Формула (4.30) имеет физический смысл, когда
I Фср (У I \ 1|Ф(т2)|
Приведенные соображения позволяют более обоснованно выбирать запасы по прочности и по устойчивости при проектировании механических систем ПР.
Отработка роботов «Универсал-50М» и «Универсал-15.01М» на надежность и проведение испытаний. К ПР, как к элементу автоматической линии должны предъявляться довольно высокие требования по надежности его систем и агрегатов. Создание надежного ПР является сложной системной задачей и включает проектирование механической и гидравлической систем, системы программного управления, привода, изготовление, сборку и эксплуатацию.
Для определения показателей надежности ПР необходимым условием является проведение комплексных испытаний ПР максимально приближенных к условиям его эксплуатации для получения объективных данных о показателях надежности.
С другой стороны, должен быть решен вопрос об экономически допустимых минимальных показателях надежности. Изготовление ПР и его испытания на заводе-изготовителе должны обеспечивать минимально допустимые показатели надежности. При определении показателей надежности ПР основным критерием должны быть экономические показатели внедренного РТК. Показатели надежности РТК должны обеспечивать как минимум нулевой или минимально положительный экономический эффект. На примере расчета технологической роботизированной линии механической обработки катка определим, при каких показателях надежности экономический эффект является положительным. Расчет экономического эффекта приведен в гл. 9.
В приведенном расчете будем варьировать коэффициентом загрузки оборудования и количеством ИТР, обслуживающих оборудование при следующих предпосылках: коэффициент загрузки оборудования численно равен коэффициенту готовности оборудования линии; недоданная продукция вследствие уменьшения коэффициента готовности из-за ремонта оборудования восполняется соответствующим увеличением общего количества рабочего времени; число рабочих и ИТР, необходимых для обслуживания оборудования при исходном варианте расчета, равно 100 %; при уменьшении коэффициента готовности число рабочих и ИТР определим по формуле
^гст0
Ot Oft) ,Лгот
где пи0 — число рабочих и ИТР в исходном варианте расчета; Кгот„ Ктот — коэффициенты готовности соответственно в исходном и последующих вариантах расчета.
Результаты расчета приведены в табл. 4.4.
Сложность ремонта одного ПР примем за единицу, сложность ремонта остального оборудования — четыре единицы ремонтной сложности (ЕР). Общая сложность ремонта линии будет равна 1-5 + 4 = 9._
Коэффициент готовности ПР /(гот — ^0,4 = 0,92. Среднее время восстановления примем равным 2 ч. Минимально допустимая наработка на отказ
'Г Фм + р. в
Фм (1 Кгот) ’
где Фм — месячный фонд рабочего времени; Т = 25 ч.
На основании представленного расчета и ГОСТ 18333—73, ГОСТ 17572—72, ГОСТ 17331—71 были приняты следующие пока-
183
4.4. Результаты расчета годового экономического эффекта в зависимости от загрузки автоматизированной линии
Наименование параметра расчета
Значение параметров для различных вариантов
I
II
III
Коэффициент загрузки оборудования
0,524
0,4
0,35
Количество операторов РТК, чел.
4
6
7
Количество вспомогательных рабочих,
7
9
10
чел.
Количество ИТР, чел.
2
3
4
Себестоимость обработки, руб.
62 317,7
75 086
83 422
Прибыль на два года внедрения, руб
63 960,99
33 300
32 364
Капитальные затраты, руб.
197 669,66
275 557,2
318 855
Годовой экономический эффект, руб.
61 886,33
29 789
21 432
Экономический эффект на один робот,
12 377,26
5 950
4 300
руб.
Окупаемость, лет
1,25
7
9,5
затели надежности: браковочный уровень наработки на отказ — 50 ч; приемочный уровень наработки на отказ — 100; коэффициент риска потребителя и изготовителя 0,3; коэффициент готовности — 0,9; среднее время восстановления — 2ч.
Кроме того, в качестве показателей (критериев) надежности используют функцию работоспособности (вероятность безотказной работы ПР) и функцию неработоспособности, т. е. вероятность отказа (выхода из строя).
Для определения показателей надежности робота «Универ- сал-50М» были созданы два автоматизированных участка механической обработки, каждый из которых включил в себя по две единицы металлообрабатывающего оборудования.
Испытания ПР проводились в две смены непрерывной работы при опломбированной системе программного управления. При анализе результата испытаний все отказы были классифицированы на три группы. Отказы, вызванные низким качеством изготовления отдельных элементов — разрушение зубчатого колеса привода поворота, утечки масла из соединений, люфт в механизме качания руки, низкая точность изготовления шариковой муфты передачи крутящего момента. Отказы, вызванные низким качеством комплектующих изделий — утечки азота из гидроаккумуляторов, самопроизвольное движение золотников гидроусилителей, нестабильную работу клапанов ПГ 52-12, пропадание контакта в цепи датчиков.
Отказы, вызванные конструктивными недостатками — отвинчивание стопорных гаек на штоке привода схвата, ненадежное крепление зубчатых колес привода гидроусилителя, большое время прогрева масла, сбои считывающего устройства в связи с недостаточным диапазоном температурного режима в области 184
низких температур (283 К), функциональные отказы (самопроизвольные остановки в точках позиционирования), связанные с нежесткой характеристикой привода в районе точки позиционирования.
Анализ данных испытаний показал, что основное число отказов составляют функциональные. Они определили низкий уровень наработки на отказ. Анализ причин их возникновения показал, что при устранении функциональных отказов и отказов, связанных с плохим качеством изготовления, можно резко повысить уровень надежности ПР. По результатам испытаний был проведен комплекс мероприятий, позволивший улучшить показатели надежности.
Среди конструктивных мероприятий следует отметить: модернизацию привода, повысившую его жесткость у точки позиционирования; доработку привода управления гидроусилителем, благодаря чему входной вал гидроусилителя не влияет на управляющий двигатель; применение конструкции привода схвата, исключившего самоотвинчивание гаек на штоке привода; введение нагревателя для нагрева масла гидростанции; введение блокировки в системе управления при сбое фотосчитывания и обрыва питания в цепи датчика; устранение утечек из гидросистемы; организация входного контроля гидроаппаратуры, введение заливки в гидросистему отфильтрованного масла.
После проведения модернизации узлов ПР в четырех опытных образцах были созданы четыре опытно-промышленных участка, прошедших дополнительные испытания, в результате которых были получены следующие показатели надежности: наработка на отказ — 100 ч, КГОт = 0,99, среднее время восстановления — 42 мин.
Испытания показали, что был достигнут достаточно высокий уровень надежности. Полученные результаты были положены в основу разработки конструкции и отработки надежности робота «Универсал-15.01».
Динамика отказов роботов «Универсал-50М» и «Универсал-15.01» показывает, что интенсивность отказов ПР резко падает после отработки в автоматическом цикле ПР 50—100 ч. С учетом этого была разработана методика приемо-сдаточных испытаний робота «Универсал-15.01».
Основными требованиями приемо-сдаточных испытаний на заводе-изготовителе являются проверка качества изготовления элементов ПР, проверка соответствия ПР техническим характеристикам, ликвидация приработочных отказов, подтверждение паспортных данных по надежности ПР.
До стыковки системы управления привода с манипулятором Каждое из этих устройств проходит автономную проверку на стендах. Следует отметить, что при обкатке в течение 50 ч и приемке Манипулятора до стыковки с системой управления особое внима- Ние уделяется выявлению механических характеристик узлов Манипулятора, проверке измерительных цепей. Это обеспечивает
185
Рис. 4.27. Схема проверки робота на точность позиционирования:
Л1—Лю — точки позиционирования; 1 — положение детали в точке At", 2 — положе ние детали в точках Л2, Л3, Л4, Лб, Л1о, Лц; 3 — контрольные экраны из чертежной бумаги; 4 — положение детали в точках Л6, Л7, Л9; 5 — технологическая стойка; б — манипулятор; 7 — схват
надежную работу следящего контура и точность работы ПР. Для проведения этих работ используется испытательный стенд, который соединяется с манипулятором с помощью гибких кабелей. Механические характеристики собранного манипулятора определяются по следующей методике.
С помощью стенда на якори управляющих двигателей приводов подают напряжение 6 В (номинальное 110 В) и измеряют ток, при котором происходит трогание и устойчивое движение по всем координатам. Ток в цепи якоря лимитируется 150 мА, что составляет 20 % от номинального. Такая механическая характеристика обеспечивает надежную работу следящего контура и отсутствие функциональных отказов в точках позиционирования.
Для обеспечения точности работы проводят измерение суммарного люфта кинематической и измерительной цепей.
С помощью стенда органы манипулятора 6 устанавливают в среднее положение, в схват 7 зажимают груз с иглой (рис. 4.27). В рабочей зоне манипулятора устанавливают с зазором 0,5 мм от игл груза экраны 3 с миллиметровой бумагой, закрепленной на технологической стойке 5. Вращением потенциометра «Задатчик» на стенде устанавливают «Ноль» по шкале милливольтметра- Вращением рукоятки ручного перемещения координаты стенда поворачивают вал гидроусилителя соответствующей координаты до момента начала показания милливольтметра. Отмечают на бумажном экране 3 положение иглы. Производят реверс коорди- 186
наты в другую сторону также до момента начала показания милливольтметра и отмечают положение иглы. Расстояние между отметками — есть суммарный люфт в кинематической и измерительной цепях. Измерения производят по всем координатам. Суммарный люфт не должен превышать ±0,5 мм.
Кроме этих измерений до стыковки с системой управления проверяют сопротивление изоляции, правильность подсоединения кабелей к электрооборудованию, сопротивление датчиков ППМЛ в среднем положении, ток трансформатора, напряжение возбуждения двигателей и тахогенераторов приводов гидроусилителя, напряжение, подаваемое от шкафа манипулятора на питание системы управления, направление вращения электродвигателя насоса, смыкание и размыкание схвата при выключенном и включенном магните распределителя привода схвата, работу температурных реле системы нагрева масла в гидросистеме, величины перемещений по каждой координате.
Для ликвидации приработочных отказов ПР перед установкой на контрольные испытания проходит обкатку с грузом массой 15 кг в течение 50 ч. После этого проводят испытания для определения точности позиционирования ПР в автоматическом режиме согласно табл. 4.5. Затем по специальной программе осуществляют испытания по выявлению отказов в работе ПР путем перекладывания детали цилиндрической формы массой 15 кг в две призмы.
4.5. Программа испытаний по проверке точности позиционирования
Номер перехода барабана
Наименование перехода
Движение манипулятора
1,17,33
Промежуточная точка Л,
Поворот руки, качание руки,
2,18,34
Подход к точке Л2
поворот кисти, сгиб кисти
3,13,35
Выдвижение руки в точку Л3
Выдвижение руки
4,20,36
Укол мишени в точке Л4
Опускание руки
5,21,37
Отход от мишени в точку Л3
Подъем руки
6,22,38
Вдвижение руки в точку Л2
Вдвижение руки
7,23,39
Подход к точке Л6
Поворот руки, подъем руки, поворот кисти
8,24,40
Подход к точке Л7
Поворот руки, опускание руки
9,25,41
Выдвижение руки к точке А8
Выдвижение руки
10,26,42
Укол мишени в точке Ад
Сдвиг руки
11,27,43
Отход от мишени в точке А8
То же
12,28,44
Вдвижение кисти в точку Л7
Вдвижение руки
13,29,45
Подход к точке Лб
Поворот руки, подъем руки, поворот кисти
14,30,46
Выдвижение кисти в точке Л1о
Выдвижение руки
15,31,47
Укол мишени в точке Лп
Опускание руки
16,32,48
Отход от мишени в точку Л1о
Подъем руки
49
Вдвижение кисти в точку Л6
Вдвижение руки
50
Подход к точке Ах
Поворот руки, опускание руки, поворот кисти, сгиб кисти
ГЛАВА □
СИСТЕМЫ УПРАВЛЕНИЯ ПРОМЫШЛЕННЫМИ РОБОТАМИ
СЛЕДЯЩИЕ СИСТЕМЫ ПР
Функциональная схема ССПР. Следящие системы промышленных роботов (ССПР) определяют важнейшие технические характеристики ПР, в частности их точность и быстродействие. Сложность достижения высоких значений указанных характеристик неоднократно отмечалась специалистами. Темпы освоения серийного выпуска отечественных ПР, оснащенных следящими системами, сдерживались по ряду причин, в частности из-за ограниченной номенклатуры серийно выпускаемых компонентов ССПР, удовлетворяющих предъявляемым требованиям, а также из-за отсутствия работ, содержащих рекомендации по вопросам проектирования ССПР с учетом их специфических особенностей.
В роботах типа «Универсал» в качестве исполнительных двигателей были использованы электродвигатели постоянного тока с независимым возбуждением и гидравлические двигатели вращательного типа (усилители крутящего момента). Этот факт, а также разнообразие кинематических конфигураций манипуляторов и их отдельных координат, приводят к различию статических характеристик и динамических свойств ССПР.
При всем многообразии конкретных технических реализаций ССПР их структуры с функциональной точки зрения идентичны и отображаются функциональной схемой (рис. 5.1). По такой же функциональной схеме выполняются следящие системы копирующих манипуляторов и других робототехнических систем [24, 21.
В качестве задающего элемента ЗЭ в ССПР типа «Универсал» используется память систем программного управления, в которой хранится геометрическая информация в аналоговом (системы ПУР-2М, АПС) или цифровом (системы УПМ-772, «Колер» и т. д.) виде. В системы программного управления конструктивно входят также сравнивающий элемент, вычисляющий рассогласование по положению, преобразующий элемент ПЭ и последовательный корректирующий элемент КЭ1. Два последних элемента выполняют функцию регулятора положения, характеристика «вход-выход» которого может перестраиваться с целью достижения требуемых динамических качеств. Так, в цифровой системе программного управления УПМ-772 (разработка ЛЭМЗ) регулятор положения выполнен в виде цифроаналогового преобразователя с нелиней- 188
ной выходной характеристикой, которую можно деформировать с помощью перепаек и настроечных потенциометров. В аналоговой системе программного управления типа АПС регулятор положения выполнен в виде специально разработанного параболического преобразователя с гальванической развязкой входа и выхода, выходная характеристика которого также легко может перестраиваться с помощью двух регулировочных потенциометров.
Вспомогательный сравнивающий элемент и усилитель УЭ выполняют функции усилителя мощности. В электрических ССПР эти элементы представляют собой конструктивно законченный статический полупроводниковый преобразователь. В выпускаемых серийно роботах типа «Универсал» усилители мощности выполнены в виде тиристорных управляемых выпрямителей. От выбора типа усилителя мощности существенно зависят динамические характеристики ССПР. Остальные элементы ССПР — исполнительный ИЭ (электродвигатель), параллельный корректирующий КЭ2 (тахогенератор), чувствительный ЧЭ и элемент главной обратной связи ЭГОС (датчик положения) конструктивно входят в состав манипулятора — объекта управления О и традиционно называются неизменяемой частью системы, поскольку не могут быть изменены в процессе настройки ССПР. Отсюда вытекает необходимость тщательного обоснованного выбора этих компонентов из условия удовлетворения заданных требований к ССПР.
При проектировании ССПР типа «Универсал» были поставлены задачи, успешное решение которых позволяет удовлетворить жесткие требования к точностным и динамическим характеристикам ПР. К таким задачам относятся формулировка требований к ССПР, обоснование выбора основных компонентов ССПР и исследование структурных схем ССПР с целью определения необходимых средств коррекции их динамических качеств.
Основные требования, предъявляемые к ССПР. Промышленные роботы являются машинами нового технологического класса и характеризуются рядом особенностей, накладывающих специфические требования к ССПР. Основные требования могут быть сформулированы и обоснованы следующим образом. ССПР Должны обеспечивать минимальное значение погрешности позиционирования при максимально возможном быстродействии, т. е. обладать высокой пропускной способностью по Шеннону (для Дискретного канала связи для шумов).
189
Действительно, уменьшение погрешности позиционирования способствует расширению сферы применения ПР, а увеличение быстродействия обеспечивает возрастание экономической эффек. тивности от их внедрения. В связи с этим наиболее рациональным является оптимизация ССПР по критерию максимума пропускной способности, т. е. максимума функционала, определяемого выражением
ЮГР
С = й)гр 1п+ | In | Ф (/<0)1 dto, (5.1) ф о
где С — пропускная способность ССПР; ®гр — полоса частот; Ф (/со) — передаточная функция ССПР; q?max — максимальное значение выходной переменной; 6Ф — минимальная абсолютная погрешность позиционирования ПР.
К настоящему моменту неизвестно однозначное определение Ф (/со), обеспечивающее максимум функционала. Обеспечить максимально достижимые быстродействие и точность ССПР одновременно можно, сохранив на уровне, близком к граничному по соображениям устойчивости, значение общего статического коэффициента усиления и разумно распределив его между регуляторами скоростного и позиционного контуров. При этом граничное значение общего коэффициента усиления необходимо определять с учетом малых постоянных времени, влияние которых может быть существенным.
Дискретизация информации в следящем контуре не должна нарушать условий устойчивости ССПР.
Характерной особенностью ПР является усложненная алго- ритмика цифровой обработки информации в системе управления. Типичными алгоритмами существующих систем управления ПР являются преобразования координат (прямая и обратная задача), организация мультиплексного режима обслуживания координат и т. д. В литературе неоднократно указывалось, что основная трудность при реализации ряда алгоритмов позиционного управления связана с вычислением матриц преобразования координат на ЭВМ со скоростью, которая не вносит существенного запаздывания при выполнении операций. Тенденция усложнения алгоритмов обработки информации по мере развития систем управления ПР связана также с усложнением информационной системы ПР, т. е. с увеличением числа датчиков, воспринимающих разнообразную информацию об изменениях внешней среды, которое необходимо для придания ПР адаптивных свойств.
Увеличение времени, необходимого на обработку информации по сложным алгоритмам, влечет за собой заметную дискретность процесса обновления задающей информации, поступающей на вход ССПР. В связи с этим необходим учет влияния дискретизации информации, который может приводить к снижению допустимого значения общего статического коэффициента усиления.
190
ССПР должны обладать возможностью обеспечения независимости динамических параметров от конфигурации манипулятора и массы перемещаемого груза, находящейся в пределах, установленных паспортными данными.
Для упрощения алгоритмов решения задач высокого уровня, например автоматической выработки траектории движения целевой точки ПР, желательно обеспечить «замороженность» коэффициентов дифференциального уравнения динамики ССПР. Реальный ПР с точки зрения системы управления является в общем случае многомерной системой, т. е. его задачей является воспроизведение последовательности состояний в пространстве в определенные моменты времени (хь уг, zlt t^, (х2, z/2, z2, /2) и т. д. При этом взаимовлияние различных степеней подвижности ПР может в большей или меньшей степени отражаться на качестве переходных процессов в зависимости от кинематики манипулятора. С целью анализа взаимовлияния координат робота «Универсал-15.01» был применен разработанный в МВТУ им. Баумана пакет прикладных подпрограмм анализа динамики манипуляционных роботов. В серии расчетов на ЭВМ изучалась отработка поворота руки ПР на максимальный угол для разных грузов и вылетов руки. Обнаруженное при этом анализе взаимовлияние координат подтверждалось при экспериментальном исследовании робота «Универсал-15.01». Таким образом, в тех случаях, когда вариация коэффициентов дифференциального уравнения динамики ССПР, вызванная указанным взаимовлиянием координат, приводит к значительному разбросу решений, структурная схема ССПР должна предусматривать либо адаптацию к изменяющимся параметрам, либо минимизацию чувствительности полюсов к изменению параметров. В том и другом случае схемотехнические решения должны быть просты, чтобы обеспечить высокую надежность ПР и исключить неоправданное усложнение систем управления ПР.
ССПР должны обеспечивать апериодичность процесса позиционирования. Это требование достаточно очевидно, так как перерегулирования в ССПР, приводящие к «перебегу» запрограммированной точки позиционирования, могут привести к аварийным ситуациям. ССПР должны обеспечивать высокое значение диапазона воспроизводимых состояний, определяемого из выражения
Оф = ^-, (5.2)
где cpmax — максимальное значение выходной переменной; 6Ф — Минимальное значение выходной переменной, обусловленное разрешающей способностью датчика положения.
Значение Вц, для современных ПР колеблется в диапазоне Оф (0,1 -г-5) 106. Следует отметить, что для целого ряда металлообрабатывающих станков численное значение Оф составляет величину того же порядка. Однако максимальное значение вы-
191
ходкой переменной фтах в ПР превышает, как правило, значение Фтах Для станков примерно на порядок, что является особенностью ПР, поскольку при этом в большей степени проявляется влияние податливости кинематических цепей. Этот факт необходимо учитывать при обосновании места установки и типа датчика обратной связи по положению.
Преобразователи, входящие в состав ССПР, должны обеспечивать линейность и стабильность характеристик «вход-выход». Это обстоятельство является важным в связи с тем, что в настоящее время для ПР быстрыми темпами разрабатываются достаточно сложные алгоритмы преобразования координат целевой точки в требуемые положения степеней подвижности манипулятора и алгоритмы автоматической выработки траекторий движения. Линейность и стабильность выходных характеристик преобразователя облегчает реализацию указанных алгоритмов.
ССПР должны обеспечивать надежную фиксацию органов ПР в точке позиционирования. При использовании гидравлического сервопривода в первых конструкциях ПР типа «Unimate» (США) это требование привело к необходимости доработки следящего золотника фирмы «Moog» с целью увеличения перекрытия в нуле. В электрических ССПР это требование можно удовлетворить несколькими путями. Поскольку каждому из известных вариантов обеспечения этого требования свойственны определенные недостатки, выбор необходимо осуществлять с позиций максимального эффекта (точности, надежности, экономичности).
Кроме отмеченных выше основных общих требований к ССПР, могут предъявляться дополнительные: возможность работы с переменной точностью, возможность программного регулирования максимальных скоростей и ускорений исполнительных органов ПР, возможность работы «на упор» и пр.
Перечисленные общие требования принимаются во внимание при разработке конкретных технических требований к ССПР. Поскольку манипуляторы и преобразователи электропривода конструктивно разделены и разрабатываются отдельно, то технические требования и соответственно технические задания формулируются отдельно на манипулятор и электропривод. При этом технические характеристики основных компонентов ССПР увязываются с учетом результатов анализа общей структурной схемы ССПР.
Обоснование выбора основных элементов ССПР. Как уже было отмечено, наибольшее внимание обычно уделяется обоснованию выбора элементов неизменяемой части системы. В скоростном контуре ССПР к таким элементам относится исполнительный двигатель и усилитель мощности, в позиционном контуре — датчик положения.
Из обзора отечественных и зарубежных разработок ССПР со всей очевидностью следует, что электромеханические ПР строят в настоящее время в большинстве случаев на базе исполнитель- 192
ных двигателей постоянного тока, питающихся от тиристорных управляемых выпрямителей или транзисторных широтно-импульсных преобразователей. Объясняется этот факт тем, что указанные статические преобразователи являются наиболее отработанными к настоящему моменту, а снижение надежности ССПР в целом, вызванное наличием щеточно-коллекторного узла в двигателях постоянного тока, является несущественным в промышленных условиях. Отказы' щеточно-коллекторного узла устраняются быстро, при этом не требуется высокой квалификации обслуживающего персонала. Построение ССПР на базе бесконтактных двигателей переменного тока (например, асинхронных) является актуальной задачей, однако их применение в ССПР сдерживается отсутствием серийного освоения соответствующих статических преобразователей ввиду относительной сложности последних. Ниже рассматриваются вопросы рационального выбора двигателей постоянного тока и статических преобразователей для управления последними в ССПР.
Определим основные требуемые технические параметры электродвигателя постоянного тока, способного воспроизвести заданный закон движения в ССПР. К таким параметрам относятся прежде всего электромагнитная постоянная времени Тэ и электромеханическая постоянная времени Тм, характеризующие электродвигатель как динамическое звено следящей системы (СС). Для оценки требуемых значений Тэ и Тм могут быть использованы следующие выражения для собственной частоты о>0 замкнутого скоростного контура электропривода и его коэффициента демпфирования:
где К, Кос — коэффициенты усиления соответственно прямого „' ^дв+^пр и обратного каналов скоростного контура; / э = □—г-б— — «ДВ Т «ПР
электромагнитная постоянная времени, учитывающая активное и индуктивное сопротивления двигателя и преобразователя (₽дв, L№, RBp, Lnp); Тм -j- (/дв + /н) — электромеханическая постоянная времени, учитывающая момент инерции двигателя Jдв и приведенный момент инерции нагрузки J^; А — коэффициент жесткости механических характеристик электропривода.
Частоту эквивалентного гармонического входного воздействия йПх, которая должна отрабатываться ССПР с определенной точностью для выполнения требований по быстродействию, целе-
1931937 Шифрин Я- А. и др.
193
193
сообразно определять исходя к ПР с учетом выражениясообразно определять исходя к ПР с учетом выраженияиз технологических требованийиз технологических требований
сообразно определять исходя к ПР с учетом выражения
сообразно определять исходя к ПР с учетом выражения
из технологических требований
из технологических требований
где ЙШах> Нтах — соответственно максимальные ускорение и скорость на оси исполнительного двигателя.
Не останавливаясь подробно на методике определения Qmax и ПШах отметим, что для большинства действующих технологических процессов достаточно принять говх ^ 10 с"1. Задаваясь далее значением ошибки воспроизведения эквивалентного вход- ного сигнала А = 0,05 и пользуясь известным выражением
L (йбх) > 20 lg (1/А), (5.6) определяем ординату контрольной точки, выше которой должна проходить низкочастотная часть желаемой логарифмической амплитудно-частотной характеристики L (совх) ^ 26 дцБ. В случае, когда ССПР имеет астатизм первого порядка, выполнение неравенства (5.6) равносильно условию
®с>13®вх, (5.7) где о>с — частота среза логарифмической амплитудной характеристики, построенной по передаточной функции разомкнутой по положению ССПР.
Частота ®0 (собственная частота замкнутого скоростного контура электропривода), являющаяся в данном случае сопрягающей, из соображений устойчивости должна превышать в 3—4 раза частоту ®0. Зададимся далее значением коэффициента демпфирования d0 = 0,6 из условия ограничения перерегулирования в скоростном контуре на уровне 10 %. Значение глубины обратной связи (1 + ККпс^ 20 обусловлено компромиссом между приемлемым значением точности воспроизведения полезного сигнала и соотношением сигнал—шум в скоростном контуре. Подставляя численные значения величин, входящих в выражения (5.3), (5.4), находим Тм ^ 0,05 с и Т: ^ 0,002 с. Полагая, что согласование момента инерции двигателя J№ с внешним приведенным моментом инерции механизма координаты ПР выполнено из условия 7'^2/дв, определяем Тм <=> (0,012 <0,015) с. Аналогично, учет активного и индуктивного сопротивлений преобразователя позволяет в первом приближении оценить требуемое значение электромагнитной постоянной времени Т3 ^ (0,001 -ь ^0,002) с.
Удобство конструктивного встраивания исполнительных двигателей в узлы манипулятора можно оценить по массогабаритным оценкам, наиболее показательными из которых представляются
М„
удельные оценки и —где m — масса двигателя, кг, 194
у — объем двигателя, дм3; Мн — номинальный момент на валу двигателя, Н-м.
Теоретическое обоснование требуемых численных значений указанных удельных величин затруднительно. Для ориентировки при сравнительном анализе двигателей можно указать численные значения этих показателей, достигнутые в лучших современных образцах: -^2-0,-5 Н-м/кг; -^- = 0,8 Н-м/дм3. По конструк
тивным признакам все выпускаемые в настоящее время электродвигатели могут быть условно разделены на три группы: обычного исполнения с пазовым якорем и электромагнитным возбуждением; высокомоментные с пазовым массивным якорем и возбуждением от постоянных магнитов; быстродействующие с гладким цилиндрическим, полым или дисковым якорем с возбуждением от постоянных магнитов.
Двигатели первой группы, получившие наибольшее распространение к настоящему моменту, характеризуются, как правило, большими значениями Тм (более 0,02 с) и То (более 0,002 с), невысокими значениями -^- (менее 0,1 Нм/кг) и -у2 (менее 0,2 Н-м/дм3). Однако среди двигателей этой группы имеется ряд конструкций, позволяющих получить удовлетворительные характеристики следящего привода в целом (например, двигатель типа СЛ).
Повышенные требования к быстродействию привода, например уменьшение времени разгона до значения 0,2 с и менее (от нулевой до номинальной скорости), можно удовлетворить применением высокомоментных двигателей. Двигатели этой группы имеют ряд конструктивных отличий, придающих им новые положительные качества: замена электромагнитного возбуждения многополюсной системой на базе мощных постоянных магнитов; высокая механическая прочность массивного стального якоря; большое число коллекторных пластин. Такие двигатели могут обладать приемлемыми массогабаритными показателями при номинальных моментах более 10 Н-м ('достижимы -^ >0,2 Н-м/кг и -^- > >0,2 Н-м/дм3), характеризуются высоким быстродействием благодаря 7—14-кратным перегрузкам по току при высоком значении тепловой постоянной времени (около 1 ч), хорошим демпфированием возмущающих моментов со стороны нагрузки вследствие значительного собственного момента инерции. Использование их может быть предпочтительно на транспортных координатах ПР и позволяет сократить кинематическую цепь благодаря исключению или уменьшению силового редуктора и, следовательно, повысить жесткость и точность механической части ССПР.
Исполнение высокомоментных двигателей на небольшие мощности (менее 0,5 кВт) с приемлемыми массогабаритными показателями затруднительно, вызывает повышенную неравномерность 7*195
вращения, обусловленную влиянием зубцовых гармоник. В то же время именно применение зубцового якоря позволяет достичь минимального зазора (максимальной величины потока возбуждения) и максимального числа проводников в обмотке якоря —. факторов, обеспечивающих «высокомоментность» двигателей этой группы. Поэтому область рационального применения высокомоментных двигателей в ПР располагается в диапазоне номинальных моментов Л1Н > 10 Н-м”и в конструкциях с выносными двигателями.
При номинальных моментах Мн < 5 Н-м целесообразно использовать двигатели третьей группы — с гладким или дисковым якорем. Двигатели этой группы также обеспечивают высокоинтенсивные переходные процессы. Эти электродвигатели наиболее легко встраиваются в ПР, обладают "минимальными' значениями электромагнитной постоянной времени Тэ (менее 0,001 с), что позволяет улучшить коммутацию и увеличить срок службы щеток (более 5000 ч). Таким образом, наиболее предпочтительными для использования в ССПР являются двигатели второй и третьей групп, причем при больших значениях моментов (Мн >10 Н-м) в соответствующих конструкциях рационально применение высокомоментных двигателей, при меньших значениях момента удобно применение малоинерционных двигателей с дисковым и гладким якорем. Алгоритм «аварийный останов», необходимый для надежной эксплуатации ПР, может быть реализован только на двигателях с возбуждением от постоянных магнитов, т. е. на двигателях второй и третьей группы.
В части перспективных разработок в этой области следует отметить необходимость в специальных электродвигателях для удовлетворения ряда специфических требований. Использование двигателей общего применения затрудняет достижение конкурентоспособности электромеханических ПР.
Основные требования к усилителю мощности можно обосновать следующим образом. Численное значение диапазона регулирования скорости DB, определяемого выражением DB = -^у^, гДе ^тах, ^тт — соответственно максимальная и минимальная частота вращения вала исполнительного двигателя, может быть получено в соответствии с уравнением
D,D, I ^max I' 47* I ^max I' 47*6ф6ф' (5.8)' (5.8)
D,
D,
I ^max I' 47*
I ^max I' 47*
6ф
6ф
' (5.8)
' (5.8)
где | Umax | — абсолютная величина максимальной скорости перемещения координат ПР; Т — вырожденная постоянная времени скоростного контура ССПР.
Приближенность соотношения (5.8) обусловлена близостью реакции на скачкообразное воздействие реального скоростного контура ССПР, в качестве которого в электрических ССПР используется регулируемый электропривод, к реакции апериодического 196
рис. 5.2. Логарифмическая ампли- тудно-частотная характеристика ССПР звена с постоянной времени Т. Степень близости указанных реакций (переходных функций) находится для реальных ССПР на уровне 5—7 %, что является вполне достаточным
условием применимости уравнения (5.8). При типичных для современных ПР значениях | ушах_ | = 1 м/с, Т =
LbL,,8u,B 80LbL,,8u,B 804040ОО10101000ы,ра8)с1000ы,ра8)с-40\-40\-80-80= 0,03 С*,'“бф = 2-Ю"4 м из "8и-
LbL,,8u,B 80
LbL,,8u,B 80
40
40
О
О
10
10
1000ы,ра8)с
1000ы,ра8)с
-40\
-40\
-80
-80
формулы (5.8) Dto = 600. Требование к быстродействию усилителя мощности вытекает из требования к быстродействию скоростного контура ССПР. Выше было показано, что для воспроизведения эквивалентного гармонического входного воздействия с допустимой погрешностью необходимо, чтобы скоростной контур обладал характеристикой колебательного звена с собственной частотой <оо ^ 400 рад/с и коэффициентом демпфирования dti = 0,6. При этом используемая методика [71 предполагала отсутствие инерционности усилителя мощности, что приводило к слиянию низкочастотной и среднечастотной частей логарифмической амплитудно-частотной характеристики (ЛАЧХ) в одну асимптоту L^ (со) с наклоном—20 дБ/дек (рис. 5.2, кривая 1\
Такой тип ЛАЧХ обеспечивает широкополосность ССПР и жесткие требования к исполнительному двигателю. Однако контрольная точка А*, соответствующая условию передачи эквивалентного гармонического входного сигнала с 5 %-ной точностью, может обеспечиваться ЛАЧХ типа L, (го) (рис. 5.2, кривая 2). При этом требования к собственной частоте скоростного контура понижаются до го0 = 130-=-150 рад/с. В ССПР типа «Универсал» такое быстродействие скоростного контура является достаточным для выполнения технических требований к ПР. В особых случаях, когда возможные входные сигналы не могут быть охарактеризованы одним эквивалентным гармоническим воздействием, можно рекомендовать определение ряда контрольных точек из известного входного сигнала и допустимой погрешности воспроизведения методом припасовки. Поскольку найденные контрольные точки (например, А*, В*, С*) должны «покрываться» ЛАЧХ, может оказаться необходимой реализация ССПР с характеристикой типа Ьг (го) (для случая размещения точек В* и С* выше кривой 2, но ниже кривой 7).
Особое значение имеет в ПР реализация алгоритма «аварийный останов». Удачным можно считать решение, принятое в электромеханическом роботе «Famulus» завода «KUKA» (ФРГ).
При поступлении команды «аварийный останов» последовательно осуществляется блокировка регулятора скорости в тири-
Технические характеристики серийных тиристорных управляемых выпрямителей
Тип выпрямителя
ПараметрПараметр
Параметр
Параметр
УНЛ-11УНЛ-11Диапазон регулирования скоростиПолоса пропускания, ГцЭквивалентная постоянная времени, с Отклонение от линейностиТип управленияКомплект поставкиДиапазон регулирования скоростиПолоса пропускания, ГцЭквивалентная постоянная времени, с Отклонение от линейностиТип управленияКомплект поставки100010000,01Менее 5 %РаздельноеПреобразователь(без автоматиче-ского выключателязащиты)0,01Менее 5 %РаздельноеПреобразователь(без автоматиче-ского выключателязащиты)ЭТУ-3601100024РаздельноеПр еобр азов ател ь,трехфазный транс-форматор, сгла-живающийдроссельЭТУ-3601100024РаздельноеПр еобр азов ател ь,трехфазный транс-форматор, сгла-живающийдроссельЭТ6И500030СовместноеПреобр азователь,реакторы, трех-фазный трансфор-матор, двигатель,задатчик скоростиЭТ6И500030СовместноеПреобр азователь,реакторы, трех-фазный трансфор-матор, двигатель,задатчик скорости
УНЛ-11
УНЛ-11
Диапазон регулирования скорости
Полоса пропускания, Гц
Эквивалентная постоянная времени, с Отклонение от линейности
Тип управления
Комплект поставки
Диапазон регулирования скорости
Полоса пропускания, Гц
Эквивалентная постоянная времени, с Отклонение от линейности
Тип управления
Комплект поставки
1000
1000
0,01
Менее 5 %
РаздельноеПреобразователь(без автоматиче-ского выключателязащиты)
0,01
Менее 5 %
РаздельноеПреобразователь(без автоматиче-ского выключателязащиты)
ЭТУ-3601
1000
24
РаздельноеПр еобр азов ател ь,трехфазный транс-форматор, сгла-живающийдроссель
ЭТУ-3601
1000
24
РаздельноеПр еобр азов ател ь,трехфазный транс-форматор, сгла-живающийдроссель
ЭТ6И
5000
30
СовместноеПреобр азователь,реакторы, трех-фазный трансфор-матор, двигатель,задатчик скорости
ЭТ6И
5000
30
СовместноеПреобр азователь,реакторы, трех-фазный трансфор-матор, двигатель,задатчик скорости
Примечания: 1. Входное напряжение ±10 В. 2. Диапазон D^ указан с учетом типа двигателей и тахогенераторов, используемых в роботах «Универсал».
сторном управляемом выпрямителе, отключение энергии привода, динамическое торможение, включение тормоза. Для осуществления перечисленных операций необходима специальная доработка усилителя мощности: установка коммутирующего элемента для включения режима динамического торможения, установка сопротивления для рассеяния кинетической энергии, накопленной в маховых массах, и т. д.
В табл. 5.1 приведены краткие технические характеристики выпускаемых серийно отечественных управляемых тиристорных выпрямителей. По динамическим качествам все внесенные в табл. 5.1 выпрямители могут быть использованы в качестве усилителей мощности ССПР. Однако их применение нерационально по ряду причин, к которым прежде всего можно отнести необходимость в дополнительных устройствах для обеспечения аварийного останова в соответствии с требованиями к ПР; необходимость доработки для обеспечения включения всех координат ПР от одного управляющего воздействия и возможности опробования их в ручном режиме; необходимость доработки для обеспечения удобства выполнения регулировочных операций (регулирование коэффициентов обратной связи по току, скорости, смещения «нуля» регулятора скорости и т. д.); необходимость доработки с целью компенсации взаимовлияния координат; сложность достижения высокой плотности монтажа при компоновке всех преобразователей в одном шкафу и связанное с этим увеличение габаритных размеров силового блока; ограниченные воз- 198
ложности глубокого регулирования величины пусковых токов, flo этим причинам была проведена разработка преобразователей электропривода для ССПР в многокоординатном исполнении с учетом требований к ПР. Указанные преобразователи непрерывно совершенствуются по мере возрастания технических требований к ССПР.
Исследование динамики ССПР типа «Универсал» . Многокоординатная ССПР является многосвязной системой управления с переменными в функции пути параметрами и содержит, как правило, несколько нелинейностей (ограничение, зона нечувствительности, люфт, сухое трение). В связи с этим точный теоретический анализ ССПР, учитывая современный уровень развития теории автоматического управления, является неосуществимым. Целесообразно расчленить задачу анализа реальных ССПР на ряд более простых, обосновывая в каждом случае правомерность упрощения математической модели.
Одной из важнейших задач при исследовании динамических возможностей ССПР является определение граничного (по соображениям устойчивости) значения общего статического коэффициента усиления. Решение этой задачи важно проводить с учетом малых постоянных времени ССПР, так как в противном случае могут быть получены неоправданно оптимистические результаты.
Анализ устойчивости процесса позиционирования можно провести с помощью исследования линейной модели ССПР, допустимость применения которой может быть обоснована следующими физическими соображениями.
Окрестность точки позиционирования всегда мала по сравнению с величиной среднестатистического перемещения захвата. По этой причине можно в процессе замедления приближенно считать неизменными приведенные к валу двигателя моменты инерции, а следовательно, полагать постоянными параметры ССПР. Это упрощение применимо также к ПР, работающим в режиме контурного слежения, поскольку скорость слежения обычно мала, а переходные процессы протекают на один-два порядка быстрее скорости изменения параметров ССПР, кроме особо оговоренных случаев.
На первом этапе анализа динамики ПР в окрестности точки позиционирования допустимо пренебрежение всеми нелинейностями. Действительно, момент на валу двигателя обычно превышает в несколько раз статический момент нагрузки, обусловленный кулоновым трением, поэтому влиянием последнего на первых этапах исследования можно пренебречь. Нелинейности типа «ограничение» еще себя не проявляют вследствие малости окрестности позиционирования. Зону нечувствительности также можно не принимать во внимание, так как ее наличие обычно повышает устойчивость системы. Люфт механических передач в рассматриваемых роботах типа «Универсал» обычно выбирается с помощью использования торсионов и разрезных колес.
I23456
Рис. 5.3. Структурная схема линеаризованной электрической ССПР:
/ — регулятор положения; 2,3 — тиристорный преобразователь; 4 — двигатель постоянного тока; 5 — редуктор; 6 — упругий элемент; 7 — фильтр; 8 — тахогенератор; 9 —- датчик положения
С учетом указанных допущений применима линейная модель ССПР с постоянными параметрами. Несмотря на то, что параметры ССПР постоянны в окрестности точки позиционирования, они различны в разных точках. Поэтому ниже при численном анализе параметры выбраны в расчете на наиболее «тяжелый» с точки зрения устойчивости случай.
На рис. 5.3 показана структурная схема, отражающая динамику СС координаты поворота робота «Универсал-15.01» с электроприводом постоянного тока в линейном приближении. В скоростной контур введено корректирующее звено в виде ПИ-ре- гулятора. Это позволяет повысить точность регулирования скорости путем введения интегральной составляющей в закон управления, а также осуществить оптимальную настройку скоростного контура.
Структурной схеме соответствует система, в которую входят:
уравнение регулятора положения
уравнение регулятора скорости
уравнение тиристорного преобразователя
Тти^-^ия = и2Ктп;/
уравнение электродвигателя постоянного тока
+ <гг + 7 2)+ Юдв = К№ия,
уравнение редуктора
уравнение редуктора
Фр ~ J ®р dt;
уравнение идеальной упругой механической передачиТ2 ^Фн ! „ — „ .
v м др Г Ч н — Ч р,
уравнение тахогенератора
уравнение фильтра сигнала тахогенератора
уравнение датчика положения ^Фн " ^дпфц>
уравнение замыкания скоростного контура
уравнение замыканий позиционного контура
Запишем систему из 12 уравнений в компактной матричной форме. Введем вектор-столбец переменных состояния:
X = [xlt х2, ..., х8],(5.9)
составляющие которого имеют следующий смысл (см. рис. 5.3):Х1 фн, Х^ — Хг, Хд — фр, Х4 ~ МдвУ Xg Х4, Хд [/я, ^7^2>
^8 = ^ф-
Используя введенные обозначения, описанную выше систему уравнений можно привести к каноническому виду:
Xi = x2; x^-^-x^ — ^xv, х3 = Кмх4;' мм
х4 = ^;
. ^двТ^ + Т21
•Xs~ Т^ Хб Т^г Xs TJ^ Х4’
Ктп1
,!х6 = Х„%о;
,, ,V ТП* тп
Х7 — К-диК^иКрсХ-^ —A'pc-^S
КдпКрдКрсХг т"— КрСКтХ4 -|-' ф
4* ~^Крс.х& 4—— KpnKpJL^g;
Кт 1
^87^-^4 т ^^
' фф
и коротко записать как
X=AX-\BU,
0
1
0
0
1
0
1
о
т2 м
т2 м
0
0
0
км
0
0
0
0
А =
0
о
о
1
Т1Т4
0
0
0
0
” КдпКр^Крс
^дв^рн^рс
0
Ку^Кт Тф
0
0
0
Кт
—
^Ф
0
0
00
0
0
00
где А — квадратная матрица n X п (и. = 8);
ОО
1О
-2k+2k^м
Т1Т»tj,
о — ~ ^тп
оо
оо
X — первая производная
переменных состояния X;
1 X п;
(5.12)
по времени введенного выше вектора В — матрица управления размерности
ПОД ОД ОД. (5.13)
и — вектор управления п X 1;
Рт = [0, 0, 0, 0, 0, 00],(5.14)
где т — индекс транспонирования. 202
Полученное уравнение (5,11) является частным случаем уравнений линейной стационарной системы автоматического управления (САУ)
(5.15)(5.15)x^ax-vbu-Лy^cx + du, j
(5.15)
(5.15)
где ¥ — вектор выходных переменных; С, D — соответствующие матрицы.
В нашем случае выходом является угол поворота срн, т. е. Y — t/т = х\. Следовательно, для рассматриваемой ССПР
С - (1,0,0,0,0,0,0,0); D - 0.
Величина зоны нечувствительности, определяющая точность позиционирования ПР, существенно зависит от граничного значения общего статического коэффициента усиления КР^ выбираемого из соображений устойчивости системы; чем Кгр больше, тем меньше может быть величина зоны нечувствительности.
Аналитическое исследование устойчивости линеаризованной ССПР можно привести, воспользовавшись методом, предложенным проф. Э. Г. Удерманом, поскольку при этом методе сокращается объем вычислений по сравнению, например, с анализом устойчивости с помощью классического критерия Гурвица. Метод основан на доказанной Э. Г. Удерманом теореме о необходимых условиях устойчивости САУ, согласно которой необходимыми условиями асимптотической устойчивости линейной стационарной САУ ц-го порядка являются положительность всех коэффициентов сц {I = 0, 1, 2, п) характеристического уравнения и положительность определителей Гурвица А* (/' = 2, 3, .... п — 1) для двух полиномов FT (х) и F^ (х) — одного, составленного только из нечетных, и второго из четных коэффициентов аь где определители А/ выделяются из гурвицевой матрицы
ЬхЬ.0••.
ь3ь2ьй•
Ь5•
••••••
00оооьт
I23456
Рис. 5.4. Структурная схема линеаризованной электрогидравлической ССПР:
1 — регулятор положения; 2, 3 — тиристорный преобразователь; 4 — двигатель постоянного тока; 5 — гидроусилитель момента; 6 — редуктор; 7 — фильтр; 8 — тахогенератор; 9 — датчик положения
где т равно целой части п/2;
(5.16)(5.16)Ь0 = а0, Ь4 = аг, Ьй = а4, ... для /^(х); b0 = av Ьг = а3, Ьг = а5, ... для F^ (х), когда п —• нечетное и, наоборот, когда п —■ четное.
(5.16)
(5.16)
Очевидно, что определители А/ имеют существенно меньший порядок, чем определители Гурвица, что является основным достоинством данного метода. При удовлетворении необходимых условий выполнение достаточных условий легко проверяется с помощью критерия перемежаемости корней Михайлова.
В роботе «Универсал-15.01» в качестве исполнительного двигателя используется аксиально-плунжерный гидроусилитель момента, выходной вал которого связан с механической передачей (нагрузкой) соответствующей координаты ПР, а входной вал приводится в движение задающим электродвигателем постоянного тока. Якорь задающего электродвигателя подключен к тиристорному преобразователю, собранному по трехфазной нулевой схеме.
Структурная схема линеаризованной модели такой СС показана на рис. 5.4. Аналитическое описание этой САУ выражается системой уравнений в матричной форме, аналогичной (5.15):
X = АХ 4- BU; 1
Y = CX-\DU, J
где X — вектор переменных состояния
Хт= [хь х2, ..., х8],
причем %i = срн, х2 = о)г, х3 — грдп, х4 — х3, х5 = х4, х6 = 1/я>
М ^2, Х8 ” ^ф;
204
Л — квадратная матрица п х п;
0
1
1 Км
2£г
0
1
0
0
К г2 'хм м .
0
0
7г
0
0
Г2
0
0
1
0
л =
0
0
0
1
Т^Тм
0
0
0
0
^~ ^рс^ри^дп
0
— (^рп^рс^ди^м, 0
0
0
КтКф
КтКф 7Ф
00
0
0
00
0
0
00
0
0
1
1 кд
о
о
Т^ТаТм
0
1 Т1[
Ктп
Ттп
0
00
0
^pc
00
0
1
ГФ
В -
матрица управления размерности
1 X
п;
В = (000000 i Кр<Лрп0);
U — вектор управления п X 1;
1Г = (000000[/ф10);
Y = хг — выход системы;
С = [100000001; D = 0.
Коэффициенты характеристического уравнения для рассматриваемой системы (рис. 5.4) после алгебраических преобразований выражаются следующими формулами:
Со = тЛ\пТ фГэТмТ^г;
Ф = ^тТгтТтпТфТ3Тм ф- (ТгпТф ф- ТфТ 3 ф- ТэТтп) 1 мтТ’г!
а2 = тТтаТ^Тм ф- 2|Г7>ТМ (ТтпТф ф- ТФТЭ ф- ТяТтп) +
+ тТ? (ТЭТМ + ТтпТм + ТфТм + ТтпТф);
аа = 1 Тг (Тф ф- 7Ф ф- Тм)-2фГ гт (ТэТа ф- ТТОТм ф- 7 фТм ф- ТтаТ^ + т^м (Г№ТЧ ф- ТфТа ф- ТтпТф);
а4= т (ТЭТМ ф- Т№ТМ ф- ТфТф ф- ТфДф) ф- 2|г7фт (7фп ф- 7ф ф- 7^) фф (1 + КреКтпКдКтКф) ТТ?;
а5 = (Ттп + Тф ф- Тм) т ф- 2t (1 + КрсКтпКдКЛф) ТЛ ф
ф- КрсКтпКдКтКфТг;
«6 = (1 + КрсКт11КцК.Лф) т + 2^гТгКрСКтиКдКтКф +
+ Кр^таКдКрпКмКдптТф;
«1 = КрсКтнКд (КтКф + КрпКмК№т ф- КрГЛмКдПТф);
O's = КрсКтпКдКрпКмКдп = К.
Результаты численных расчетов граничных значений Крс электрогидравлической ССПР рассматриваемого типа приведены в табл. 5.2. Для большей общности варьируемым параметром принят коэффициент Ki = КрсКтаКд, так как в данной структуре коэффициент усиления может изменяться за счет изменения Крс, выбора двигателя с новым значением Кд и тиристорного преобразователя с измененным значением КтП.
При значениях Кд = 1,3 рад/В-с и Ктп = Н граничное значение Крс ^ 3,9. Общий коэффициент передачи позиционного контура системы, при котором электрогидравлическая ССПР устойчива, определяется при заданных параметрах неравенством
0<К<8,4с^.(5.17)
Для рассмотренного выше электрического варианта ССПР значение общего коэффициента передачи ограничивается из соображений устойчивости неравенством
0<К<3,6с"*.(5.18)
Этот результат согласуется с известным положением о полезности «разнесения» близких постоянных времени для повышения запасов устойчивости и снижения чувствительности к изменению 206
5.2. Результаты анализа структурной схемы (см. рис. 5.4)
расчетный параметр
Значен
ия к, = KpcJ
Vs
10
20
40
60
100
22,36- Ю’4
22,8-10'4
23,7-10"4
24,1-Ю'4
26,3- Ю'4
0,065
0,091
0,142
0,168
0,296
0,675
1,35
2,7
4,05
6,75
1,5
3,0
6,0
9,0
15
>0
>0
>0
>0
>0
Д*
>0
>0
>0
>0
>0
300
600
1300
2000
3500
Х1
12-104
12-104
1М04
10-Ю4
9-10*
Хз
и^
U (*г)
346 000 — 15
346 000
—20
346 000 —23,2
346 000 + 10
346 000 + 180
+2200
+2200
+ 2200
+2200
+2200
U (-Гз)
—15-106
-15-106
-15-106
—15- 106
15-106
К1ГРЯН
56
56
56
56
, 56
Примечания: 1. Численные значения параметров структурной схемы: КрП = = 3; Км = 0,005; КдП = Ю В/рад; £г = 0,9; КтХф -0,06 В-с/рад; г - Тм = 0,04 с; Тэ — 0,005 с; Ттп — 0,003 с; 7’ф = 0,01 с; Tv — 0,001 с. 2. Расчетные параметры: aQ — — 2,4-10-16; at — 58,3-IO”14; a2 = 5,44-Ю"10; aa — 20,8-10"s; a4 — 33,8-10"e.
параметров (в электрическом варианте ССПР Т\ — 0,02 с, Т^ = = 0,04 с, в то время как в электрогидравлическом варианте ССПР аналогичные постоянные времени составляют соответственно Ту = = 0,005 с, Тм = 0,04 с).
При исключении инерционности фильтра (7$ = 0) граничное значение общего коэффициента передачи для электрического варианта ССПР возрастает до Д' с 17,3 с-1.
При необходимости вычисления реакций физических величин, представленных в уравнениях переменных состояния, достаточно определить матрицу перехода системы.
Используя преобразование Лапласа, систему уравнений (5.15) можно переписать в виде
SX(S) = 4X(S) + 5H(S);1
K(S) = CX(S), j(}
где S — оператор преобразования Лапласа.
Из первого уравнения системы (5.19) следует
X (S) = В-U (S) [S£ — А I"1,(5.20)
где Е — единичная матрица n X п.
Подставив полученный результат во второе уравнение системы (5.19), получим
У (S) = С-В-U (S) [S£ — А Г1.(5.21)
207
Передаточная матрица между векторами входных и выходных переменных определяется выражением
Со(5) = ^§- = Св[55-ЛГ, (5.22)
где [S5 — Л ]-1 = Ф (S) — матрица перехода системы.
В результате выполненного теоретического анализа линеаризованных структур двух вариантов построения ССПР могут быть сделаны следующие выводы.
Пренебрежение малыми постоянными времени звеньев САУ, входящими как в прямой тракт, так и в цепи обратных связей ССПР, приводит к необоснованно завышенным значениям граничных общих коэффициентов передачи, определяющих точностные и скоростные возможности ССПР.
С целью повышения граничных значений общего коэффициента усиления электрического варианта построения ССПР может быть рекомендовано уменьшение постоянной времени фильтра вплоть до исключения его из обратной связи по скорости при условии выполнения при этом прочих технических требований к ССПР.
Охват обратной связью по положению упругих кинематических цепей со слабым демпфированием колебаний (с малым значением коэффициента демпфирования при их идентификации колебательным звеном) чрезвычайно усложняет коррекцию динамических свойств таких ССПР.
Для анализа устойчивости и определения граничных значений общего статического коэффициента передачи наиболее удобным с точки зрения минимального объема вычислений является аналитический метод [47].
При отладке скоростного контура ССПР в режиме регулируемого электропривода допускается изменение коэффициента усиления КРс- После достижения требуемых технических характеристик скоростного контура может быть определено численное значение коэффициента Крс. При этом становится возможным определение граничного значения коэффициента усиления регулятора положения Крп- Настройка регулятора положения на значения, близкие к значениям Кри, обеспечивает требуемую точность, но обычно при значительных перерегулированных, т. е. не удовлетворяются требования к переходному процессу. Для удовлетворения последних необходима нелинейная деформация статической характеристики «вход-выход» регулятора положения в пределах угла Гурвица, определяемого значением Крц. Кроме того, нужно иметь в виду необходимость обеспечения фиксации органов ПР в точке позиционирования.
Надежную фиксацию органов ПР в точке позиционирования в электрических ССПР можно обеспечить как минимум тремя путями: 1) использованием дополнительного управляемого фиксирующего элемента (электрического тормоза, муфты и пр.); 2) при- 2Q8
рис. 5.5. Структурная схема корректирующего устройства:
у — выпрямитель; 2 — усилитель канала модуля рассогласования mod в; 3 — функциональный преобразователь; 4 — множительное устройство; 5 — релейный элемент; 6 — усилитель канала знака] рас- согласоваиия^31£п е.
менением самотормозящихся’пе- редач; 3) с помощью усилителей мощности, позволяющих обес
печить «удержание» вала исполнительного двигателя в неизменном (с определенной погрешностью) положении. Первый из перечисленных способов применен в некоторых модификациях зарубежных ПР. Этот способ обладает известными достоинствами, в частности возможностью надежной реализации алгоритма «аварийный останов», но его применение оправдано в тех случаях, когда тормоз встроен в исполнительный двигатель и поставляется как комплектующее изделие. Недостатком второго метода является повышенное значение статического момента сухого трения Мс. Для компенсации вредного влияния сухого трения на погрешность позиционирования было предложено использовать в качестве регулятора положения оригинальное двухканальное корректирующее устройство [А. с. № 706821 (СССР)], позволяющее также деформировать в необходимом направлении
статическую характеристику «вход-выход».
Для пояснения сути предложенного технического решения обратимся к структурной схеме корректирующего устройства (рис. 5.5). Путь прохождения сигнала, несущего информацию о величине рассогласования е, разветвляется на два канала.
В канале модуля рассогласования mod е сигнал выпрямляется, усиливается с небольшим коэффициентом К/ (в частном случае может быть К1 <3)> преобразовывается в соответствии с требуемой функциональной зависимостью (часто параболической), суммируется с дополнительным воздействием идоп и поступает на вход множительного устройства 4. В канале знака рассогласования sign е сигнал усиливается с большим коэффициентом усиления К2, определяющим зону нечувствительности и в конечном счете погрешность позиционирования ССПР, и поступает на релейный элемент 5, с которого на множительное устройство 4 выдается трехпозиционный сигнал +1, 0, —1. В результате на выходе данного двухканального устройства формируется нелинейный закон управления скоростным контуром ССПР, позволяющий достичь компромиссной настройки между устойчивостью и качеством переходного процесса ССПР, с одной стороны, и требуемой точностью — с другой.
Необходимость в дополнительном корректирующем воздей ствии Uwm можно пояснить следующим образом.
Объект управления, под которым будем понимать последовательно соединенные усилитель мощности, управляемый воздей- 209
Рис. 5.6. Структурная схема управления с коррекцией управляющего воздействия ствием и, исполнительный двигатель и самотормозящийся ре- дуктор, характеризуемый моментом сухого трения Мй, описывается уравнением
где /Ид Кми — момент, развиваемый двигателем; Км — постоянная момента; и — управляющее воздействие (управление).
Известно, что только высшая производная регулируемой величины в каждый момент времени явно зависит от управления. Поэтому для определения управления как функции текущих значений фазовых координат объекта и задания достаточно задаться значением высшей производной из условий требуемого движения и затем подставить это значение вместо высшей производной в уравнение объекта.
(5.24)(5.24)Пусть необходимо, чтобы реакция объекта управления q на задание <р3 была такой же, как в линейном дифференциальном уравнении второго порядка:
(5.24)
(5.24)
ai КИТ + “- -57- -I- («з + о) 'Г = Сф-j ■
Выбором коэффициентов щ, а2 и а3 можно деформировать желаемую реакцию в требуемом направлении. Из уравнения (5.24) находим зависимость высшей производной от фазовых координат:
(5.25)(5.25)d2q>с а2 dtp а3 4" с dt2 а, at dt щ '*'
(5.25)
(5.25)
Подставляя уравнение (5.25) в уравнение объекта управления (5.23) и выделяя в явном виде управление и, находим
cJm * Мг-(5 26)
" щКм а1Км dt ^Км 1 1 Км ■
Структурная схема системы управления, соответствующая уравнению (5.26), показана на рис. 5.6. Кроме очевидных обратных связей по положению ср и скорости, на схеме присутствует дополнительно вводимое воздействие ыдо„, являющееся функцией статического момента сопротивления /Ис и коэффициента усиления по моменту Км. В наиболее простом случае идоп =
Ам
Теоретическое исследование ССПР с регулятором положения, выполненным по схеме рис. 5.5, весьма затруднительно. ССПР с таким регулятором положения были экспериментально исследованы и в настоящее время используются в серийных ПР типа «Универсал», оснащенных аналого-позиционными системами управления ПУР-2М и АПС,
2Ю
Следует отметить, что регулятор положения, построенный в соответствии со структурной схемой рис. 5.5, позволяет реализовать третий способ фиксации подвижных органов ПР за счет организации режима автоколебаний в окрестности точки позиционирования с малой амплитудой (меньше половины величины погрешности позиционирования) и высокой частотой. Подобный способ используется при «позиционировании» органов живых организмов и носит название «тремор». Так, при экспериментальном исследовании системы управления мышечной активностью в условиях поддержания неизменной позы лучезапястного сустава человека в спектре механограммы была обнаружена десятигерцовая составляющая, свидетельствующая о попеременном напряжении мышц-антагонистов (сгибателя и разгибателя).
Определим параметры автоколебаний, которые могут быть использованы для фиксации подвижных органов роботов, т. е. автоколебаний в окрестности точки позиционирования. Имея в виду, что при малых сигналах е двухкаиальный регулятор положения эквивалентен классическому трехпозиционному релейному элементу, изобразим расчетную структурную схему в виде, показанном на рис. 5.7.
Данная система описывается уравнениями
Гл Г (71)= 1 •971 («О (1 + /ДУрл) (1 + /ЮдТс) ’
ГДе Кл КрпКаКмКди-
Поставленная задача допускает аналитическое решение I48)
(5.29)(5.29)% = (1/Vc)2;
(5.29)
(5.29)
ЛМ^Грп + ТсИзТрп^
Для одной из координат робота «Универсал-5» имеем следу ющие численные значения величии, входящих в уравнения (5.29) = 3,7; Кс = 71 рад/В-с; 7<м = 0,02; 7<дп = 15 В/рад; 7фп = = 0,005 с; Тс = 0,06 с; В = 0,05 В; b = 0,01 В.
При этих численных значениях величин 7^, Тс, Кл опреде Днем соп = 58 с"19 Гц; К (Л)2,77. Воспользовавшись гра
фиком (рис. 5.8) нормированного гармонического коэффициента
Рис. 5.7, Структурная схема для расчета параметров автоколебаний в окрестности Точки позиционирования;
3 — регулятор положения; 2 — скоростной контур; 3 — механическая передача; ’ — Датчик положения; В, b — настроечные параметры регулятора положения
амплитуды автоколебанийамплитуды автоколебанийРис. 5.8. Определение релейной системы
амплитуды автоколебаний
амплитуды автоколебаний
передачи К" (А) = -^- К (А) релей-
А
ного звена, находим-^- = 2; Д = = 0,02 В.
Существенным недостатком способа фиксации подвижных органов ПР с помощью автоколебаний в ок
рестности точки позиционирования является требование повышенной точности датчиков положения.
Для обеспечения простоты отладки ССПР в режиме отработки заданного положения важно заранее определить рациональные области изменения регулировочных параметров регулятора положения. Выполнение этих регуляторов по двухканальной нелинейной структуре с множительным устройством затрудняет их теоретическое исследование в составе ССПР. Наиболее предпочтительным в этих условиях оказывается экспериментальное исследование переходных процессов ССПР с моделированием функции регулятора положения на ЭВМ.
Функциональная зависимость «вход-выход» регулятора положения показана на рис. 5.9, где выделены следующие характерные показатели указанной нелинейной характеристики: уровень Вг «ползучей» скорости, ограниченный снизу порогом нечувствительности скоростного контура ССПР и ограниченный сверху требованием апериодичности процесса позиционирования; уровень В„ насыщения, определяющий максимальную уставку скорости скоростного контура ССПР; -^- зоны нечувствительности Ьх; участок Ь2 «ползучей» скорости; участок Ь3 торможения с номинальной скорости до нулевой для осуществления торможения с постоянным замедлением (участок характеристики Ь3 — Ьг
Рис. 5.9. Функциональная зависимость «вход-выход» двухканального регулятора положенияРис. 5.9. Функциональная зависимость «вход-выход» двухканального регулятора положенияРис. 5.10. Блок-схема набора задачи на аналоговой ЭВМ типа МН-18МРис. 5.10. Блок-схема набора задачи на аналоговой ЭВМ типа МН-18М
Рис. 5.9. Функциональная зависимость «вход-выход» двухканального регулятора положения
Рис. 5.9. Функциональная зависимость «вход-выход» двухканального регулятора положения
Рис. 5.10. Блок-схема набора задачи на аналоговой ЭВМ типа МН-18М
Рис. 5.10. Блок-схема набора задачи на аналоговой ЭВМ типа МН-18М
рис. 5.11. НастройкаТоперациоиного блока НС-4
представляет смещенную относительно начала координат параболу).
Влияние перечисленных параметров на качество переходного процесса, а также диапазоны изменения этих [парамет
ров с учетом характеристик раз
личных координат ПР, определялись путем аналогового моделирования регулятора положения на ЭВМ типа МН-18М.
Полунатурное моделирование осуществлялось в реальном масштабе времени. Кроме удобства регистрации решения, при этом достигалась также минимальная величина динамических погрешностей: так, при продолжительности исследуемых процессов порядка нескольких секунд мало сказывается дрейф нуля операционных усилителей.
Блок-схема набора задачи показана на рис. 5.10 и отражает реальную схемотехническую реализацию двухканального регулятора положения. Функции суммирования и масштабирования сигналов осуществлялись на операционных блоках /, 3, 6, 7, 9, И типа ОС-3.
Формирование нелинейности mod е канала регулятора положения (см. рис. 5.9) обеспечивалось с помощью универсальных нелинейных блоков 4, 5 типа НУ-5. Требуемая зависимость, близкая к параболической, набиралась методом кусочно-линейной аппроксимации с помощью имеющихся в составе блока НУ-5 десяти нелинейных ячеек с потенциально-заземленными диодами. Результирующая нелинейность формируется на выходе сумматора.
Для формирования нелинейности в канале sign е регулятора положения использовался специализированный блок 8 типа НС-4. С целью наилучшего приближения набранной нелинейности к релейной трехпозиционной характеристике и упрощения регулировки зоны нечувствительности блок 8 настраивается по характеристике, показанной на рис. 5.11, а. Эта характеристика стягивается по оси,абсцисс с помощью умножения входной величины на постоянный коэффициент Л2 в блоке 7, а затем делением на постоянный коэффициент 40 преобразуется в результирующую характеристику (рис. 5.11, б).
После перемножения выходных величин обоих каналов на блоке перемножения 10 типа ОП-ЗМ (см. рис. 5.10) формируется характеристика, показанная на рис. 5.9. Поскольку множительный блок ОП-ЗМ осуществляет операцию перемножения по уравнению у = -^-а:!^, то для восстановления результата используется усилитель 11 с коэффициентом усиления 50 (см. рис. 5.10).
a)a)Рис. 5.12. Характер переходных процессов при различных сочетаниях настроечных параметров регулятора положения:Рис. 5.12. Характер переходных процессов при различных сочетаниях настроечных параметров регулятора положения:*paO*paOo az a* o,6f г)o az a* o,6f г)t,Ct,Cа — режим автоколебаний в окрестности точки позиционирования <ЬХ = 0,005; Вх — 0,3; Ь2 = = 0,05; Ь3 = 0,7; В2 = 5); б — наличие нескольких перерегулирований \bx = 0,01; Вх = 0,15; Ь2 = 0,08; Ь3 = 0,5; В2 = 5); в — переходный процесс с одним перерегулированием <ЬХ = 0,01; Вх — = 0,08; Ь2 = 0,05; Ь3 = 0,5; В2 = 5); г — апериодический процесс позиционирования при минимальном времени переходного процесса <ЬХ ~ = 0,01; Вх = 0,03; Ьг = 0,07; Ь3 0,6; В2 = 5)а — режим автоколебаний в окрестности точки позиционирования <ЬХ = 0,005; Вх — 0,3; Ь2 = = 0,05; Ь3 = 0,7; В2 = 5); б — наличие нескольких перерегулирований \bx = 0,01; Вх = 0,15; Ь2 = 0,08; Ь3 = 0,5; В2 = 5); в — переходный процесс с одним перерегулированием <ЬХ = 0,01; Вх — = 0,08; Ь2 = 0,05; Ь3 = 0,5; В2 = 5); г — апериодический процесс позиционирования при минимальном времени переходного процесса <ЬХ ~ = 0,01; Вх = 0,03; Ьг = 0,07; Ь3 0,6; В2 = 5)
a)
a)
Рис. 5.12. Характер переходных процессов при различных сочетаниях настроечных параметров регулятора положения:
Рис. 5.12. Характер переходных процессов при различных сочетаниях настроечных параметров регулятора положения:
*paO
*paO
o az a* o,6f г)
o az a* o,6f г)
t,C
t,C
а — режим автоколебаний в окрестности точки позиционирования <ЬХ = 0,005; Вх — 0,3; Ь2 = = 0,05; Ь3 = 0,7; В2 = 5); б — наличие нескольких перерегулирований \bx = 0,01; Вх = 0,15; Ь2 = 0,08; Ь3 = 0,5; В2 = 5); в — переходный процесс с одним перерегулированием <ЬХ = 0,01; Вх — = 0,08; Ь2 = 0,05; Ь3 = 0,5; В2 = 5); г — апериодический процесс позиционирования при минимальном времени переходного процесса <ЬХ ~ = 0,01; Вх = 0,03; Ьг = 0,07; Ь3 0,6; В2 = 5)
а — режим автоколебаний в окрестности точки позиционирования <ЬХ = 0,005; Вх — 0,3; Ь2 = = 0,05; Ь3 = 0,7; В2 = 5); б — наличие нескольких перерегулирований \bx = 0,01; Вх = 0,15; Ь2 = 0,08; Ь3 = 0,5; В2 = 5); в — переходный процесс с одним перерегулированием <ЬХ = 0,01; Вх — = 0,08; Ь2 = 0,05; Ь3 = 0,5; В2 = 5); г — апериодический процесс позиционирования при минимальном времени переходного процесса <ЬХ ~ = 0,01; Вх = 0,03; Ьг = 0,07; Ь3 0,6; В2 = 5)
Инерционность регулятора положения учитывается апериодическим звеном, выполненным на блоке «Операция интегрирования» 2 типа ОИ-1 (см. рис. 5.10) с подключением параллельно интегрирующему конденсатору высокоточного резистора. Выходной сигнал с модели регулятора положения подавался на вход регулируемого электропривода.
Достоинством принятой блок-схемы набора задачи является возможность быстрого изменения параметров Ьъ Ь.2, Ь3, Вг с целью исследования их влияния на качество переходного процесса. В качестве входного воздействия и3 использовали типичное для позиционных ССПР единичное воздействие.
На осциллограммах (рис. 5.12) показаны четыре наиболее характерных типа переходных процессов при определенных сочетаниях настроечных параметров.
Диапазоны изменения настроечных параметров, определенные с помощью аналогового моделирования и заложенные в конкретную схемотехническую реализацию регулятора положения, позволили обеспечить рациональную настройку ССПР при всем разнообразии характеристик механических передач робота типа «Универсал».
Комплексное исследование ПР для определения их быстродействия и погрешности позиционирования осуществляют в автоматическом режиме. Методику такого исследования поясним на примере испытаний робота типа «Универсал-5.01». Манипулятор робота «Универсал-5.01» обладает четырьмя степенями подвижности. В соответствии с этим вокруг манипулятора устанавливают четыре стойки с укрепленными на них мишенями. На схвате манипулятора жестко закрепляется игла. Программа автоматического цикла предусматривает поочередный прокол иглой бумажных мишеней в контрольных точках таким образом, что но резуль- 214
5 3. Результаты испытаний на точность и быстродействие робота «Универсал-5.01»
I[роверяемая характеристика
Заданная величина по техническим условиям
фактическая величина
при ГОс1
ПРИ гос2
Погрешность позиционирования, мм Время выполнения одного рабочего движения на контрольных отрезках пути, с:
±2
±0,75
±1,0
при повороте платформы на 3,13 рад, не более
6,6
5,1
—
при подъеме или опускании платформы на 300 мм, не более
3,5
3,1
—
при повороте рукн на 3,14 рад, не более
4
3,8
—
при движении руки на 500 мм, не более
3
1,5
—
П р и м е ч а н и с. 7"ос[ и 7’0с9 — температуры окружающей среды: Гос1 — 20 °C; Гос2 - (10 + 40) °C.
тэтам многократного прокалывания каждой мишени можно судить о погрешности позиционирования соответствующей координаты ПР. Быстродействие ПР оценивается по времени выполнения одного рабочего движения на контрольных отрезках пути по каждой координате. Результаты испытаний робота «Универсал-5.01» приведены в табл. 5.3. По сравнению с требуемыми по техническим условиям погрешность позиционирования уменьшалась более чем вдвое, а время выполнения одного рабочего движения на контрольных отрезках пути сократилось в среднем на 20—30 %.
По аналогичной методике были проведены испытания модульного ПР типа РПМ. При экспериментальных испытаниях робота типа «Универсал» было выявлено, что рациональная область значений настраиваемого параметра Крс находится в пределах от 1 до 3, а область значений параметра Kpv — в пределах от 1 до 5. При этом общий коэффициент усиления ССПР составляет величину порядка 70—80 % граничного значения Ктр общего статического коэффициента усиления.
СИСТЕМЫ ПРОГРАММНОГО УПРАВЛЕНИЯ ПР
Требования к системам программного управления, алгоритмы управления. Объектом управления систем программного управления промышленных роботов (СПУ ПР) является промышленный манипулятор, работающий в составе РТК. В связи с этим к СПУ ПР предъявляется ряд специфических требований ио сравнению с широко распространенными системами программного управ-
ления металлорежущими станками (СПУ МС). В частности, для СПУ МС характерно, что системы координат объекта управления (станка) и объекта обслуживания (заготовки) имеют жесткую взаимную ориентацию, которая обеспечивается соответствующим выбором и сопряжением баз.
Подготовка необходимых данных программы осуществляется расчетным путем с помощью различных методов программирования. Система координат манипулятора первоначально не ориентирована относительно объектов обслуживания, к которым относится различное технологическое оборудование, установленное в зоне его работы.
СПУ ПР реализует алгоритмы измерения и запоминания положения указанных объектов в системе координат манипулятора. Принято называть эту операцию «обучением» робота. Операция обучения является характерным методом программирования ПР, позволяющим оператору осуществить подготовку программы непосредственно на технологическом участке, проконтролировать ее и внести коррекцию. Трудоемкость этой операции зависит от уровня СПУ ПР. В адаптивных СПУ ПР этот процесс частично или полностью автоматизирован. СПУ ПР содержит более развитую информационную систему по сравнению с СПУ МС, которая позволяет осуществлять двустороннее взаимодействие ПР с обслуживаемым оборудованием.
Анализируя сигналы, поступающие с датчиков, установленных на обслуживаемых объектах и манипуляторе, СПУ ПР имеет возможность изменять алгоритмы функционирования и адаптироваться к изменениям обстановки путем поиска соответствующих подпрограмм, их повторения, блокировки и т. д. Это одно из важнейших качеств СПУ ПР, развитие которого приводит к созданию адаптивных и высокоорганизованных роботов. Сигналы информационной системы используются в СПУ ПР также для организации асинхронного режима работы манипулятора по отношению к обслуживаемому оборудованию. Особые требования предъявляются к следящим приводам подвижных органов манипулятора, который рассматривается как объект управления, содержащий упругие нелинейные звенья, учитывающие люфт механических соединений, переменную статическую и динамическую нагрузку, взаимосвязь координат.
Конструкция манипулятора требует плавного ускорения и замедления подвижных органов, с ускорениями, не превышающими допустимых. С технологической точки зрения не допускается перерегулирование в точке позиционирования, выходящее за пределы заданной точности. Для обеспечения указанных требований в состав следящих приводов СПУ ПР включаются нелинейные корректирующие звенья, имеющие сложную характеристику.
Для управления универсальными роботами типа «Универсал» и РПМ используются позиционные СПУ (ПСПУ), к которым, 216
Кроме указаййых выше общих требований, предъявляется ряд дополнительных. К классу позиционных систем программного управления ПР относят устройства управления, которые реализуют алгоритмы перемещения схвата робота от «точки к точке» с автоматическим разгоном (торможением) подвижных органов без контроля траектории движения и контурной скорости. Можно считать, что позиционные системы являются развитием цикловых систем в конструктивном отношении и по технологическим возможностям. Существенным их отличием является возможность программирования величины перемещения по координатам манипулятора, что обеспечивается наличием в позиционных системах датчиков положения координат или шагового привода. В первом случае их классифицируют как замкнутые по положению, во втором — как разомкнутые. К числу характерных конструктивных задач, возникающих при разработке позиционных систем управления ПР, относятся вопросы проектирования устройства ввода программы, устройств формирования характеристики разгона (торможения), выбора датчиков положения.
Анализ работы РТК, как показано выше, позволяет сформулировать основные требования к позиционной системе управления. Система должна обеспечивать: возможность подготовки оператором программы путем «обучения робота по первому технологическому циклу; возможность программирования в кадре положения подвижных органов манипулятора, скоростей перемещения подвижных органов манипулятора, точности позиционирования схвата, команд управления электроавтоматикой манипулятора и обслуживаемого оборудования с контролем исполнения последних, выдержки времени между отдельными технологическими переходами; циклическую отработку программы по кадрам в автоматическом режиме; регулирование характеристики разгона-замедления по каждой координате; независимое позиционирование каждого подвижного органа многокоординатного манипулятора; логический выбор подпрограмм по сигналам датчиков внешних устройств; логический выбор последовательности отработки информации, запрограммированной в кадре; блокировку приводов подвижных органов ПР в аварийных ситуациях, связанных с отсутствием контрольных сигналов выполнения команд, с неисправностями отдельных узлов системы управления и выходом схвата из предельной зоны обслуживания.
Как правило, в позиционной системе управления предусматривается три режима работы: режим обучения робота, ручной режим и автоматический. В каждом режиме работы система реализует характерные алгоритмы управления.
В режиме обучения алгоритм управления описывается следующим образом: по индикатору номера кадра оператор с пульта Управления устанавливает необходимый кадр программы (обычно начиная с первого) для записи в него информации; с немощью пульта обучения, связанного с приводами подвижных органов
манипулятора, оператор перемещает с хват в требуемую точку пространства и ориентирует его относительно приспособления или детали, если это необходимо; оператор производит запись в указанный кадр информации о положении схвата в коорди- натах манипулятора по команде с пульта обучения или пользуясь пультом управления системы; запись технологических команд, команд на манипулятор и вспомогательных команд, указанных в кадре программы, производится оператором с пульта управления системы.
Все последующие кадры программы записываются аналогичным образом.
В ручном режиме работы управление манипуляторами осуществляют от пульта управления системы и производят оперативную коррекцию записанной программы.
При автоматическом режиме в алгоритм управления входят следующие функции: позиционирование схвата манипулятора с заданной точностью и последовательностью; выполнение команд управления электроавтоматикой манипулятора (зажим-разжим схвата, смена схвата и т. д.) и технологических команд в заданном порядке по отношению к позиционированию; контроль выполнения указанных команд по кадрам с блокировкой системы или сменой программы; синхронизация технологических переходов в цикле по сигналам инфомационных датчиков и по времени; индикация режимов работы робота и сигнализация аварийных состояний.
Реализация указанных технических требований к позиционным системам программного управления (ПСПУ) ПР и алгоритмов управления предполагает достаточное разнообразие структурных схем построения системы. Критерием их оценки, безусловно, являются надежность, стоимость, сложность, габаритные размеры системы и еще целый ряд эксплуатационных и технических параметров. В целом структуру ПСПУ можно рассматривать как конечный автомат с микропрограммным управлением. Спецификой ПСПУ ПР как цифрового автомата является то, что она часть РТК, состоящего из манипулятора и обслуживаемого оборудования, с которыми она связана посредством датчиков положения и информационных датчиков.
Структура СП У ПР. Синтез оптимальной структуры ПСПУ ПР формальными методами представляет собой предмет специального исследования и в данной работе не рассматривается.
Однако, исходя из указанных выше технических требований к системе, можно достаточно точно определить ее функциональный состав и связи. Структурная схема позиционной СПУ робота показана на рис. 5.13. Входящие в состав системы устройства имеют следующее назначение. Программоноситель выполняет функцию долговременного хранения программы работы системы без ее разрушения в процессе отключения питания. Программа работы СПУ ПР обеспечивает замкнутый автоматический цикл 218
Рис.Рис.5ЦЗ. Структурная схема позиционной СПУ5ЦЗ. Структурная схема позиционной СПУПРПР
Рис.
Рис.
5ЦЗ. Структурная схема позиционной СПУ
5ЦЗ. Структурная схема позиционной СПУ
ПР
ПР
работы манипулятора во взаимодействии с обслуживаемым оборудованием и может содержать, кроме того, библиотеку подпрограмм. Наличие библиотеки подпрограмм является характерным свойством СПУ ПР и предусматривается для обеспечения адаптации робота к изменению технологического процесса. Технологический процесс может быть изменен при операциях контроля изделий с последующей разбраковкой, для обеспечения оптимальной загрузки оборудования при асинхронном режиме управления, для ликвидации простоев участка при неисправности отдельных единиц оборудования. Кроме того, для сокращения времени обучения робота при выполнении другого технологического процесса на данном роботизированном участке целесообразно хранить соответствующую подпрограмму, подготовленную заранее. Программа записывается и считывается с программоносителя параллельно по кадрам. Кадр программы содержит всю необходимую информацию для выполнения определенного технологического перехода, который может содержать процессы перемещения схвата в определенную точку пространства, выполнения команд на манипулятор и обслуживаемое оборудование, выполнения вспомогательных команд.
В соответствии с этим устройство считывания обеспечивает считывание определенного массива кадров с программоносителя Для его последующей записи в запоминающее устройство, которое
выполняет функции оперативного хранения и корректировки в процессе обучения ПР.
В автоматическом режиме работы системы осуществляется отработка информации, записанной в запоминающем устройстве. По окончании отработки последнего кадра устройство управления формирует команду обращения к устройству ввода, и с программоносителя в запоминающее устройство записывается новый массив информации и так далее, пока не будет отработана вся программа. В режиме обучения в устройство записи программы поступают информация с датчиков положения координат и команды с пульта обучения и пульта управления системы. Сформированный таким образом кадр записывается в запоминающее устройство. Для согласования сигналов, поступающих с датчиков положения на вход запоминающего устройства, используют цифро- аналоговые ~ ЦАП и аналого-цифровые АЦП преобразователи в зависимости от конструкции датчиков. Корректировка записанного кадра может быть произведена путем изменения положения схвата с помощью пульта обучения и преднабором команд на пульте управления. Для этого выход пульта обучения, который выполняется в виде выносного устройства, посредством гибких кабелей связан непосредственно с устройством привода координат. Перемещение схвата осуществляется последовательно и независимо по каждой координате с заданной скоростью, которая плавно регулируется оператором. Положение схвата контролируется оператором визуально. В этом режиме устройство привода замкнуто "только по скорости.
Возможно построение системы, при котором в режиме обучения устройство привода замкнуто и по положению. При этом исключается возможность смещения схвата робота под действием нагрузки из точки позиционирования, однако значительно усложняется конструкция пульта обучения, так как возникает необходимость задания с пульта обучения координат схвата. В большинстве систем "управления в настоящее время предпочитают использовать различную”'блокировку 'приводов координат ПР при их размыкании по положению.
В запоминающее устройство ЗУ последовательно записываются кадры программы, сформированные в режиме обучения, до момента его заполнения. Полученный массив программы с выхода запоминающего устройства поступает на программоноситель по сигналу оператора. Если программа превышает емкость запоминающего устройства, то оно используется многократно до момента заполнения программоносителя.
В автоматическом режиме производится перемещение необходимого массива информации с программоносителя в запоминающее устройство. Считывание и отработка информации, записанной в последнем, производится по кадрам. Структура кадра, принятая в большинстве СПУ ПР, — позиционная, т. е. распо- ложение^информации в кадре постоянно и не зависит от содержания 220
Номер кадра
Информация о положении охвата
Команды на манипулятор
Технологические команды
Вспомогательные команды
рис. 5.14. Структура кадра позиционной СПУ ПР
перехода. При такой структуре достигается экономия аппаратных средств системы за счет упрощения устройств записи и считывания, а требуемая емкость запоминающего устройства увеличивается незначительно, так как количество информации в переходах почти не изменяется.
; Основную часть кадра занимает информация о положении координат. При абсолютной системе отсчета, которая преимущественно применяется в СПУ ПР, положение координат задается многоразрядным числом (И—15 двоичных разрядов), а число координат достигает 6—8. Если учесть, что при такой системе задания координат требуется непрерывное наличие уставки на входе следящей системы приводов, то очевидно, что каждый переход должен содержать информацию о положении всех координат. Емкость остальной информации, записанной в кадре, незначительна по сравнению с указанной выше. Эту информацию составляют команды на манипулятор, обслуживаемое оборудование и вспомогательные команды. Структура кадра показана на рис. 5.14.
Поскольку структура кадра позиционная, распределение информации в соответствии с ее функциональным назначением на выходе считывающего устройства не представляет трудностей. Уставки координат поступают через преобразователь на входы устройств сравнения. Преобразователи используют для согласования с сигналами, поступающими с датчиков положения на вторые входы устройств сравнения. При поступлении однородных сигналов, аналоговых или кодовых, необходимость в преобразователях исчезает.
Существуют СПУ ПР как с аналоговыми устройствами сравнения, так и с цифровыми. Выбор соответствующей функциональной схемы зависит от конструктивных особенностей датчиков положения и запоминающего устройства. На выходах соответствующих устройств сравнения образуется разность текущего и заданного положений координаты. Величина выходного сигнала пропорциональна, таким образом, расстоянию данной координаты до точки позиционирования. Чтобы обеспечить необходимую фазовую траекторию позиционирования, исключающую перерегулирование в точке позиционирования и динамические пере- гРузки манипулятора, выходной сигнал устройств сравнения поступает на вход соответствующих приводов через устройства Формирования характеристики.
Устройство привода, показанное на рис. 5.13, представляет собой регулируемый электропривод, замкнутый по скорости Схема управления перемещением координаты, включающая ус- тройства сравнения, формирования характеристики, привода датчики положения и преобразователи, классифицируется как замкнутая по положению (см. рис. 5.13). В автоматическом ре. жиме сигнал обратной связи по положению поступает с соответ- ствующих датчиков. Возможно построение разомкнутой схемы, т. е. не содержащей датчиков положения координат. В этом случае устройство сравнения исключается, а устройство привода выполняется шаговым. Такая структура не получила широкого распространения в СПУ ПР из-за трудностей, возникающих в процессе обучения, когда приходится корректировать отдельные точки позиционирования схвата, не нарушая его положения в других. Относительная система отсчета, применяемая в разомкнутой схеме, не позволяет выполнить это требование, так как каждое последующее положение схвата задается относительно предыдущего. Информация о командах на манипулятор, командах на обслуживаемое оборудование и вспомогательных командах поступает на вход соответствующих формирователей.
Отработка этой информации и информации о положении координат осуществляется последовательно в соответствии с техническими требованиями к СПУ ПР, за исключением информации о вспомогательных командах, которые поступают на вход соответствующих узлов системы в момент считывания кадра из ЗУ. Очередность отработки может быть определена специальной командой или установлена жестко. Такое построение системы позволяет более компактно формировать кадр программы и значительно уменьшить их число в программе, что имеет существенное значение для конструкции ЗУ (см. ниже). Кроме того, достигается возможность контроля выполнения каждого элемента перехода: позиционирования, команд управления электроавтоматикой манипулятора и обслуживаемого оборудования. На приведенной схеме показаны жесткая последовательность отработки информации в кадре — позиционирование схвата, выполнение команд управления электроавтоматикой манипулятора и выполнение команд управления электроавтоматикой обслуживаемого оборудования.
Выполнение процесса позиционирования контролируется компаратором, включенным на выходе устройства сравнения. Сигнал на выходе компаратора образуется при совпадении заданного и текущего положений каждой координаты и поступает на вход формирователя команд управления манипулятором. Формирователь команд осуществляет выбор команды, направление ее действия и уровень для согласования с устройствами электроавтоматики. Исполнение команды контролируется специальным ус- тройством контроля, на входы которого поступает уставка заданной команды и результат ее выполнения с датчиков, уста- 222
ловленных на манипуляторе. Аналогичным образом построена схема для выполнения и контроля команд, поступающих на обслуживаемое оборудование.
Таким образом, отработка каждого последующего элемента перехода производится только после выполнения предыдущего. Этим достигается высокая надежность функционирования системы и возможность синхронизации ее работы с технологическим циклом обслуживаемого оборудования. Предусмотрена возможность синхронизации циклов работы системы и обслуживаемого оборудования путем программирования длительности цикла отработки кадра системой. Для этого в соответствующий формирователь поступает информация для формирования интервала времени, необходимого для задержки ввода очередного кадра после выполнения установленного. Отсчет времени начинается по сигналу выполнения последнего элемента перехода. В случае отсутствия информации в кадре о командах управления манипулятором или обслуживаемым оборудованием на выходе соответствующего формирователя образуется сигнал для выполнения следующего элемента перехода. Информация о положении координат должна быть задана в каждом кадре, независимо от наличия или отсутствия перемещения подвижных органов в переходе.
Вспомогательные команды СПУ ПР весьма разнообразны. Однако, исходя из заданных технических требований к системе, можно выделить основные команды: управления скоростью схвата, задания точности позиционирования, условного и безусловного выбора подпрограмм, выбора последовательности отработки информации в кадре, коррекции кадра.
Программирование вспомогательных команд в кадре осуществляется оператором с пульта управления в режиме обучения. В автоматическом режиме формирователь вспомогательных команд по заданной информации производит выбор соответствующей команды, направления цепи, по которой она должна поступить, и согласует уровни сигналов по каналам связи.
Команды управления скоростью перемещения схвата поступают на вход устройства формирования характеристики позиционирования, которое осуществляет соответствующие изменения установившейся скорости и режима замедления. Диапазон программирования установившейся скорости выбирают исходя из технологических требований к ПР.
Команды задания точности позиционирования поступают на вход компаратора и изменяют уставку его чувствительности. При этом сигнал об окончании процесса позиционирования поступает, когда координаты манипулятора находятся в зоне нечувствительности компаратора. Эта зона может быть значительно Шире зоны нечувствительности привода, поэтому отработка нового кадра начинается до момента окончания процесса позиционирова- ния схвата в предыдущем кадре. Использование этих команд в кадре уменьшает время его отработки и может быть рекомен-
довано для переходов, не связанных с точной установкой и "ориентированием схвата манипулятора.
Команды условного и безусловного выбора подпрограмм про- граммируются оператором с пульта управления системы в процессе обучения, если после отработки данного кадра необходимо сменить подпрограмму в запоминающем устройстве. По команде безусловного выбора производится смена подпрограммы без анализа состояния информационных датчиков, установленных на технологическом участке. При этом сигнал с формирователя вспомогательных команд, содержащий номер подпрограммы, поступает на вход устройства управления, которое формирует сигнал для управления устройством ввода для поиска нужной подпрограммы на программоносителе и записи ее в запоминающее устройство. Предусматривается несколько модификаций данной команды, по которым возможен переход к любому кадру подпрограммы, записанной в ЗУ или считанной с программоносителя, и автоматический обратный переход к кадру, следующему за кадром, в котором записана команда перехода.
По команде условного перехода производятся аналогичные операции, но с учетом состояния определенных информационных датчиков. При этом в кадре программируется номер условия, при выполнении которого происходит переход к заданной подпрограмме или кадру. Номер условия соответствует определенному состоянию датчиков, контролирующих технологический цикл, сигналы с которых через устройство формирования поступают на вход устройства управления и сравниваются с сигналами формирователя вспомогательных команд.
Наличие указанных команд в СПУ ПР является ее специфической особенностью. По мере развития системы информационных ( датчиков возрастает уровень адаптации робота к изменениям технологической обстановки. В частности, использование видео- и тензодатчиков в системе позволяет проектировать «очувствленные» роботы второго поколения. При этом устройство формирования команд информационных датчиков представляет собой специализированную систему обработки сигналов датчиков и входит в состав СПУ ПР. Устройство управления осуществляет синхронизацию работы всех функциональных элементов системы в автоматическом режиме и в режиме обучения. Построение устройства управления во многом зависит от принятого способа обработки информации о перемещениях координат: параллельном или последовательном.
При параллельном способе установка положения и текущее значение каждой координаты поступают непрерывно во времени на соответствующие устройства сравнения. Последовательный способ предполагает последовательное по времени вычисление разности заданного и текущего положений каждой координаты. Для этого в состав устройства управления включают коммутаторы i сигналов датчиков положения, установок и сигналов управления 224
приводами, вычислитель и запоминающие регистры. Каждый йз указанных способов нашел применение в существующих конструкциях СПУ ПР и имеет свои преимущества. Последовательный способ требует меньшего объема аппаратных средств, в частности преобразователей, необходимых для согласования сигналов датчиков положения, ЗУ и привода, но затрудняет возможность агрегатного построения системы по числу координат. При параллельном способе устройства сравнения и преобразователи входят в состав схемы управления каждой координаты, что обеспечивает параллельное во времени управление приводами и агрегатное построение системы.
На вход устройства управления поступают команды с пульта управления о выборе режима работы системы и устройства ввода программы, сигналы информационных датчиков и вспомогательные команды. На выходе устройства формируются сигналы управления запоминающим устройством и устройством ввода программы. Устройство ввода программы обеспечивает управление программоносителями в режиме обучения и в автоматическом режиме.
В режиме обучения оператор с пульта управления может производить поиск требуемой зоны программоносителя и кадра для записи или считывания информации. Правильность считываемой информации контролируют и производят блокировку вводного устройства в случае ошибки или сбоя по сигналу с выхода устройства считывания. В автоматическом режиме устройство ввода обеспечивает автоматический поиск подпрограммы или кадра, записанных на программоносителе по сигналам из устройства управления. Конструктивная реализация отдельных функциональных узлов весьма разнообразна, но отвечает определенным принципам построения.
Устройство ввода информации. Устройство ввода программы является одним из основных функциональных блоков системы и оказывает существенное влияние на такие параметры системы, как простота и гибкость процесса обучения, максимальное число позиций схвата в пространстве, наличие библиотеки программ, максимальное число переходов в цикле, число управляемых координат.
В состав устройства ввода программы входит программоноситель и оперативное запоминающее устройство ОЗУ с устройствами записи и считывания. Разработка устройства ввода направлена на создание конструкции, обладающей ассоциативными и оперативными свойствами, на базе существующих разработок в области вычислительной техники и программного управления станками. Ассоциативные качества устройства ввода используются для построения библиотеки программ и энергозащищенного хранения информации, а оперативные — для синтеза программы в режиме обучения и ее последующей обработки в автоматическом режиме с большой цикличностью.
8 Шифрин Я. А. и др. 225
В существующих конструкциях СПУ ПР в качестве программоносителя используются штекерные панели, барабаны и магнитные ленты, в качестве запоминающего устройства — потенциометры, интегральные микросхемы, магнитное ОЗУ на ферритовых кольцах.
К числу основных технических параметров при проектировании устройства ввода программ для СПУ ПР относятся емкость накопителя, время записи и выборки информации, время хранения информации без разрушения в статическом и динамическом режимах, максимальное число циклов перезаписи, потребляемая мощность, надежность хранения, записи и считывания информации, срок службы.
Необходимую длину программоносителя рассчитывают как произведение длины подпрограммы в кадрах, составленной для типового технологического участка, оснащенного роботом, на число подпрограмм, входящих в библиотеку. В запоминающее устройство записывается одна подпрограмма. Необходимая емкость запоминающего устройства может быть различна в зависимости от принятого способа записи информации в ОЗУ. При одноадресном способе номер кадра является адресом для доступа к ячейке ОЗУ, в которую записываются исходные данные о положении всех координат манипулятора и команды. В этом случае необходимая емкость ОЗУ равна произведению длины кадра в байтах на число кадров в подпрограмме.
При двухадресном способе записи информации в запоминающее устройство исходная информация о положении координат манипулятора размещается в ячейках, доступ к которым производят по номеру точки положения схвата в пространстве, входящему в состав кадра. Длина кадра значительно сокращается, а из программы исключается исходная информация о повторяющихся положениях схвата в пространстве.
В запоминающем устройстве размещаются два массива: исходных данных и команд. Емкость массива исходных данных равна произведению объема информации, необходимой для записи одной точки положения схвата, на число его положений в пространстве. Емкость массива команд равна произведению емкости кадра на число кадров в подпрограмме.
В целом емкость запоминающего устройства сокращается по сравнению с первым способом записи, так как число различных положений схвата в подпрограмме невелико по сравнению с объемом информации, необходимым для записи его определенного положения. Последнее зависит от числа управляемых координат и точности их задания.
Объем информации, необходимый для задания определенного положения схвата в пространстве при позиционной системе считывания и записи положений координат, V = кп, где к — число управляемых координат; п — число разрядов двоичного кода, необходимое для задания каждой координаты.
Соотношение между числом переходов в подпрограмме и числом различных положений схвата в пространстве определяется статистически путем анализа циклограмм его работы на технологических'участках. Установлено, что число повторяющихся положений схвата в пространстве в большинстве случаев применения ПР с позиционной СПУ не превышает трех. Таким образом, можно принять, что число различных положений схвата в пространстве составляет' в среднем одну треть от числа переходов в подпрограмме. При значительных колебаниях этой величины на отдельных технологических операциях запоминающее устройство будет использоваться нерационально, что является недостатком двухадресного способа. Кроме того, увеличивается объем адресной части ЗУ и затрудняется процесс обучения, так как оператору необходимо вводить в кадр дополнительную информацию. С целью дальнейшей минимизации ЗУ можно применить многоадресный способ записи исходных данных, при котором положение по каждой координате записывается в отдельные ячейки ЗУ. Доступ к ячейкам производится по номеру соответствующей координаты, который записывается в кадр при обучении.
Манипулятор, как известно, имеет многокоординатную структуру- Однако число переходов в подпрограмме, в которых производится позиционирование по всем координатам, невелико, так как позиционная СПУ ПР не контролирует траектории движения схвата при одновременном его движении по многим координатам. Наличие препятствий в зоне обслуживания заставляет оператора разделить сложное движение схвата на отдельные переходы, где позиционирование осуществляется по одной или двум координатам. Информация по остальным координатам в этих переходах не изменяется, и можно в кадре задать их предыдущее положение. Необходимый объем ЗУ для записи исходных данных по каждой координате вычисляется как произведение объема информации, требуемой для записи определенного положения по координате, на число этих положений в подпрограмме. Такая структура построения устройства ввода программы значительно усложняет процесс подготовки программы как для технолога, так и для оператора, и может привести к нерациональному использованию ЗУ, особенно в унифицированной системе управления для различных моделей роботов, так как нагрузка по отдельным координатам в подпрограмме в основном зависит от кинематической структуры манипулятора. Например, в декартовой структуре координат нагрузка на ориентирующие степени подвижности минимальная по сравнению со сферической системой и т. д.
Для управления универсальными ПР чаще всего используется одноадресный способ записи информации в ЗУ, что связано с их многоцелевым назначением, которое исключает возможность оптимального выбора соотношений между числом переходов, числом точек позиционирования схвата и нагрузкой отдельных координат. Длина кадра, как было уже указано, определяется в основ-
ном объемом информации, необходимым для записи точки позиционирования схвата.
В цифровой СПУ информация о положении каждой координаты манипулятора выражается числом в двоичном коде. Число разрядов достигает 15, число координат — 8.
В аналоговой СПУ положение по каждой координате задается номером запоминающего потенциометра и положением его движка. Номер кодируется в двоично-десятичном коде. Число точек позиционирования составляет 12—16 по каждой координате, число координат — 4—6. В целях экономии длины кадра в некоторых аналоговых СПУ ПР, например «Versatran 500Р» (Великобритания), ПУР-2М, положение схвата программируется отдельно по каждой из двух групп координат — транспортирующей и ориентирующей. Возможное число точек позиционирования в каждой группе различно и определяется числом запоминающих потенциометров. Предполагается, что транспортирующие степени загружены в 2 раза больше ориентирующих. В кадре кодируются номера групп потенциометров, соответствующих указанным группам координат. В каждую группу входит до трех управляемых координат. При таком способе кодирования положения схвата объем соответствующей информации в кадре может быть сокращен более чем в 2 раза, однако нерационально используются запоминающие потенциометры, так как транспортирование и ориентирование во многих случаях осуществляются по одной- двум координатам.
Число необходимых команд, поступающих на манипулятор, в большинстве СПУ ПР не превышает 10. Среди них — команды на управление схватом или двумя схватами, команды на перемещение подвижных органов, положение которых задается жестко с помощью упоров, команды на управление вспомогательным оборудованием, установленным в схвате (сварочные клещи, вакуумные присоски, электромагниты и т. д.). Эти команды конструктивно выделены в отдельную группу и имеют свои каналы связи с манипулятором.
В кадре программируется номер команды в двоично-десятичном коде. Для задания технологических команд программируют номер команды и номер направления. Число направлений принимается равным числу обслуживаемых объектов и, как правило, не превышает четырех. Число команд в одном направлении не превышает 15. Каждое направление выделено конструктивно. Технологические команды кодируются в двоично-десятичном коде.
Под вспомогательные команды отводят в кадре не более байта. Вопрос о выборе длины кадра и числе кадров в подпрограмме приобретает существенное значение в СПУ ПР, использующих в качестве программоносителя штекерные панели и барабаны. Аналоговые системы требуют значительно меньшего объема программоносителя по сравнению с цифровыми, как показано выше, что позволяет использовать штекерные программоносители. 228
рйс. 5.15. Функциональная схема устрой- сТва ввода программы системы ПУР-2М
В цифровых СПУ используют магнитную ленту или перепрограммируемое постоянное запоминающее устройство ППЗУ.
При использовании штекерных программоносителей особое значение приобретает время ввода очередного кадра в автоматическом режиме и время записи программы в режиме обучения, при использовании кассетного накопителя на магнитной ленте КНМЛ —
время поиска и смены подпрограмм, при использовании ППЗУ — время хранения информации без разрушения, число циклов перезаписи и емкость. Для исключения потерь производительности ПР время ввода кадра должно быть значительно меньше времени отработки перехода. С этой целью для штекерных программоносителей часто используют преселективиую установку очередного кадра, т. е. во время отработки предыдущего, который запоминается на регистре, подключенном к выходу программоносителя. Считывание кадра — импульсное, длительность импульса определяет время ввода кадра и составляет, например в СПУ ПУР-2М, — 20 м-с.
Запись программы посредством набора штекеров — операция трудоемкая и относится к числу недостатков подобных СПУ. Надежность штекерных программоносителей во многом зависит от способа считывания. Контактный способ, при котором штекер замыкает электромеханический контакт, применялся в ранних конструкциях позиционных систем и распространен в современных цикловых системах, имеющих наборное поле, где его применение оправдано небольшим объемом программы и низкой стоимостью. Среди бесконтактных способов имеются примеры применения фотоэлектрического считывания, в частности в системе ПУР-2М.
Хотя фотоэлектрический способ считывания обладает достаточной надежностью, его внедрение ограничивается некоторыми Конструктивными трудностями: необходимостью параллельно считывать кадр большой длины и значительным объемом аппаратных средств для усиления и преобразования сигнала с фоточувстви- тельных элементов. Примером конструктивного решения является устройство ввода системы ПУР-2М, функциональная схема которого показана на рис. 5.15 [А. с. № 732819 (СССР)].
Для создания мощного светового потока используется импульсная стробоскопическая лампа с отражателем, который
229
Рис. 5.16. Функциональная схема накопителя системы управления ПУР-2М: а транспортирующие координаты; б — ориентирующие координаты
рассеивает световой поток на всю длину кадра. Импульс светового потока через отверстия в барабане поступает на входы фотоприемников, число которых равно числу отверстий в строке. Длительность светового потока выбрана равной 100 мкс. По сигналу с устройства управления, который формируется после окончания перехода, производится сброс информации в запоминающем регистре. Запись новой информации осуществляется в момент поджига импульсной лампы, который происходит с задержкой на время сброса регистра. Одновременно поступает команда на установку следующего кадра программы, по которой осуществляется поворот барабана на одну строку. Привод барабана выполнен старт-стопным и обеспечивает плавное изменение скорости и ускорения в процессе разгона и торможения.
Устройство управления приводом замкнуто по положению, чтобы обеспечить отключение привода после перемещения барабана на строку. За счет инерционности привода, нагруженного на барабан, запись в регистр установленного кадра программы происходит до момента смещения барабана. Таким образом, установка следующего кадра производится во время отработки предыдущего, а отсутствие информации на входе системы во время смены информации в запоминающем регистре практически не влияет на ее производительность. Функциональная схема накопителя системы управления ПУР-2М показана на рис. 5.16.
Накопитель содержит два массива потенциометров: транспортирующих и ориентирующих координат. Массив транспортирующих координат содержит 48 потенциометров, объединенных 230
в 16 групп, каждая из которых состоит из трех потенциометров, соответственно числу транспортирующих координат. Массив ориентирующих координат содержит 24 потенциометра, объединенных в группы аналогичным образом. Коммутация групп осуществляется раздельно контактами реле по цепям питания и выходным цепям, соединенным с движками потенциометров. Положение движков устанавливается в процессе «обучения» оператором. В автоматическом режиме происходит последовательное включение групп потенциометров в обоих массивах. Возможно задать 16 положений охвата по транспортным координатам и восемь положений по ориентирующим координатам.
Измерительное устройство СПУ. Точность позиционирования в основном зависит от разрешающей способности выбранных датчиков положения, измерительных цепей системы управления и чувствительности привода, которые образуют замкнутую астатическую систему регулирования.
Требования к датчикам положения могут быть сформулированы исходя из технологических параметров ПР: точности, быстродействия, диапазона перемещения подвижных органов. Точностные характеристики некоторых конструкций ПР приведены в табл. 5.4. В табл. 5.4. приведена максимальная относительная точность позиционирования, т. к. диапазоны перемещения по каждой координате различны. Абсолютная точность позиционирования схвата определяется как результирующая погрешность позиционирования по всем независимым координатам.
К числу основных характеристик датчика положения относятся разрешающая способность, диапазон преобразования по входу, скорость преобразования, габаритные размеры, надежность, условия эксплуатации.
В ПР используют, как правило, датчики абсолютного отсчета, так как обслуживаемое оборудование ориентируется в процессе обучения по отношению к системе координат робота, которая должна быть неподвижной, что значительно облегчает процесс корректировки программы при изменении технологической об-
s.4. Точность характеристики некоторых конструкций
Модель робота с позиционной системой
Точность позиционирования
абсолютная, мм
максимальная относительная, %
«Versatran-500» (Великобритания)
±2
0,04
«Unimate» (США)
±1,27
0,011
«Универсал-50» (СССР)
+1
0,09
«Универсал-5» (СССР)‘ :
0,02
«Универсал-15.01» (СССР)з i „
±2
0,031
ПР-35 (СССР),
±1,25
0,01
IRВ-10 (Швеция).
±0,5
0,005
становии. Разрешающую способность Датчика при проектировании системы выбирают исходя из требований необходимой точности по координате, имеющей максимальный диапазон пере- мещения, скорость преобразования — из требований ко времени выполнения движения по координате, имеющей минимальный диапазон перемещения. При этом предполагается, что скорости перемещения по всем координатам манипулятора приблизительно одинаковы.
Диапазон преобразования по входу согласуется с перемещениями исполнительных механизмов манипулятора. Различают однооборотные и многооборотные датчики. Применение в ПР многооборотных датчиков более предпочтительно, так как требуется меньшая редукция для согласования их с приводами исполнительных органов, а установка датчиков непосредственно на конечных звеньях исполнительных органов представляет конструктивные трудности.
С целью унификации измерительных каналов системы применяют одинаковые датчики на всех координатах, однако их разрешающая способность или диапазон преобразования различны в зависимости от величины перемещения по координате. Для обеспечения одинаковой точности позиционирования по координате уменьшают разрешающую способность датчика или диапазон его преобразования.
Предпочтительней с точки зрения уменьшения требуемой редукции на валу датчика изменять его разрешающую способность, сохраняя диапазон преобразования. Возможны и другие кинематические способы установки датчиков на манипуляторе, при которых скорости перемещения и точности позиционирования по координатам различны. Это определяется специальными технологическими требованиями. В большинстве универсальных роботов с позиционной СПУ, таких как «Универсал», «Unimate», «Versatran», измерительная система обеспечивает приблизительно одинаковые точности и скорости по отдельным координатам, что соответствует их технологическому назначению.
Входной величиной датчиков является угол поворота вала. Форма представления выходной величины весьма разнообразна: уровень напряжения, цифровой код, фазовый сдвиг и т. д. Скорость преобразования входной величины в выходную ограничивается допустимой скоростью вращения входного вала с учетом его механической прочности, износа и ограничений электрической схемы. Конструктивно датчики положения манипуляторов должны иметь минимальные габаритные размеры и массы, так как они устанавливаются на подвижных органах. Надежность их работы должна быть не ниже надежности системы управления в целом, которая по требованиям ГОСТ составляет минимум 320 ч наработки на отказ при доверительной вероятности 0,8. В отечественной робототехнике используются датчики общетехнического назначения, среди некоторых зарубежных конструкций — специа- 232
дизированные. Основные ти- . пы используемых датчиков 1 и их технические характе- - ристикиприведенывтабл.5.5. / Измерительный вход системы управления должен быть согласован с выходным... сигналом датчика. Например, при использовании аналогового датчика и цифровом входе системы требуется установка в измерительную ■ цепь преобразователя, к ко- торому предъявляются спе-ч, циальные технические требования.
В частности, его разрешающая способность должна быть не ниже разрешающей способности датчика, а быстродействие выбирают таким, чтобы динамическая ошибка измерительной системы не превышала цены одной дискреты для устранения возможного ее перерегулирования в окрестности точки позиционирования. Реализация этих требований представляет конструктивные трудности, поэтому целесообразно использовать датчики положения, идентичные по параметрам выходного сигнала с измерительным входом системы управления. В свою очередь, измерительный вход системы управления должен быть согласован с выходом ОЗУ, которое, как было указано выше, может иметь аналоговую или Цифровую структуру.
В позиционной системе управления роботом типа «Универсал» использованы в качестве датчиков положения потенциометры ППМЛ,
Рис. 5.17. Функциональная схема устрой ства сравнения системы ПУР-2М:
ДЛ П1 — соответственно потенциометры датчика и накопителя; УФ — устройство формирования характеристики разгона- замедления; МКА —микроамперметр
которые применены также в кон- струкции накопителя (см. рис 5.16).
Устройство сравнения задан-
ного и текущего положения координаты выполнено по схеме измерительного моста, одним плечом которого является потенциометр П1 накопителя, а другим — потенциометр датчика Д1 (рис. 5.17). Сигнал рассогласования снимается с диагонали моста, нагрузкой которого является усилитель привода.
Обозначим: Rr — сопротивление потенциометра датчика; Ru — сопротивление потенциометра накопителя; d—уставка движка; RBX — входное сопротивление усилителя привода. Пусть Rr = = Ru, т. е. используются одинаковые потенциометры.
Крутизна характеристики моста — переменная величина, которая зависит от уставки движка:
-7а”Г ‘ ~<5'30) 2g 1+ ' ’
Ютах \ атах /
- где g = Rn!Rnx; атах— максимальная уставка. щ .
Вместо 15.30) запишем•-
~ ^^ ютах
4 " Un Да
где А(/ — приращение напряжения; Un — напряжение питания моста; Аа — приращение уставки.
Минимальная крутизна возникает при уставке
I-„ “max1
печить необходимую разрешающую способность измерительной цепи для записи положения координаты при обучении ПР. Применяемые для этих целей микроамперметры М2003 обеспечивают точность записи точки 0,02 %, т. е. в пределах требуемой точности позиционирования роботов типа «Универсал».
Достоинством конструкции измерительного устройства является простота схемных решений и отсутствие преобразователей. Его' быстродействие ограничивается допустимой скоростью вращения входного вала датчика. К недостаткам относится низкая долговечность датчика (106 оборотов) и небольшой объем накопителя, ограниченный конструктивно.
Оптимальное согласование измерительного входа цифровой системы достигается при использовании кодовых датчиков положения, которые применяют в ряде современных зарубежных кон-, струкций и в отдельных модификациях отечественных роботов «Универсал» и РПМ-25, управляемых от системы УПМ-772. Кодовые датчики положения преобразуют угловое перемещение вала в цифровой параллельный код.
Основными элементами конструкции датчиков являются кодовые диски, диафрагма, редуктор, осветитель, фотосчитывающая система. Вариант конструкции кодового многооборотного датчика положений ДПК-1, который используется для оснащения модифи- , каций промышленного робота РПМ-25, показан на рис. 5.18, а, а его кинематическая схема на рис. 5.18,6. Датчик содержит диски точного и грубого отсчетов, на которые нанесены кодирующие маски в циклическом коде Грея. Диск точного отсчета
имеет восемь кодовых дорожек, диск грубого отсчета — семь кодовых дорожек. Оси дисков связаны через редуктор друг с дру. гом и с входным валом датчика таким образом, что передаточное число между дисками равно 128.
При такой редукции полный диапазон преобразования по углу поворота входного вала составляет 16 оборотов, а по выходу —_ 15 разрядов в коде Грея. При этом диск точного отсчета делает 128 оборотов, а диск грубого отсчета поворачивается на один оборот. В кодовых многооборотных датчиках число оборотов диска точного отсчета за полный диапазон преобразования должно быть равно 2 ГР, где лгр — число разрядных дорожек диска грубого отсчета. Если при этом разрядные дорожки диска грубого отсчета располагаются равномерно по окружности диска, то угол его поворота за полный диапазон преобразования составляет 6,28 рад.
В зависимости от требуемого диапазона преобразования по углу поворота входного вала число разрядных дорожек на дисках грубого и точного отсчетов может быть различным. Однако с целью увеличения точности преобразования число разрядных дорожек на диске точного отсчета делается максимальным, и он устанавливается на входной вал датчика. Тогда абсолютная точность преобразования угла поворота равна точности изготовления маски диска точного отсчета, диапазон преобразования угла— 2 гР оборотов, а число разрядов выходного кода равно суммарному числу разрядных дорожек обоих дисков.
Кодовые диски представляют собой точные оптические шкалы, изображение которых проектируется в проходящем свете через диафрагму на фотоприемную матрицу. Каждая разрядная дорожка считывается отдельно и непрерывно во времени. При прохождении прозрачных кодовых участков через окно диафрагмы считывается логическая «1», при прохождении темных — логический «О». Сигналы с выходов считывателя усиливаются и формируются в дискретную форму. На выходе усилителя образуется параллельный цифровой код. В качестве осветителя в приведенной конструкции используются светодиоды АЛ107Б.
Считывателем является светочувствительная матрица на фотодиодах ФД27К. При проектировании многооборотных кодовых датчиков возникает конструктивная задача согласования отсчетов грубого и точного каналов. Коммутация кодовых участков любой разрядной дорожки диска грубого отсчета должна совершаться в пределах угла поворота диска точного отсчета, при котором его младшая разрядная дорожка перемещается на величину, не превышающую половины кодового участка. Указанный угол определяется в виде
где пт — число разрядных дорожек в коде Грея, нанесенных на диск точного отсчета.
Приведенный к валу диска грубого отсчета этот угол составит
ДаДагргр2л2Пт12л2Пт1
Да
Да
гр
гр
2л
2Пт1
2л
2Пт1
где i — редукция между дисками.
Если за весь диапазон преобразования диск грубого отсчета делает один оборот, то необходимая редукция между дисками равна 2ИгР.
В приведенной конструкции датчика Аат = 0,0488 рад (2,8°); АагР = 0,000349 рад (0,02°).
Угловая ширина щели диафрагмы Аад, необходимая для правильного считывания кода с разрядных дорожек диска точного отсчета, должна составлять не более половины углового деления „.Дат
кодового участка его младшей разрядной дорожки, т. е. —д—, а с диска грубого отсчета — не более ——» если не учитывать погрешности расположения диафрагм и разрядных дорожек.
Линейная ширина щели диафрагмы / зависит от радиуса, на котором расположена считываемая разрядная дорожка:
I = 7?Аад,
где R — радиус разрядной дорожки.
В приведенной конструкции для считывания разрядной дорожки, расположенной на минимальном радиусе R = 30 мм, необходима ширина диафрагмы / = 1,5 мм для диска точного отсчета и / = 0,02 мм для диска грубого отсчета.
Анализируя полученные данные, можно сделать вывод о том, что согласование отсчетов путем изготовления редуктора с необходимой точностью связано со значительными конструктивными трудностями, а применение узких щелей диафрагмы требует высокочувствительных фотоприемников. Для согласования отсчетов в конструкциях многооборотных кодовых датчиков положения используют специальные методы, которые позволяют значительно
уменьшить требования к точности редуктора и ширине щели диафрагмы. В приведенной выше конструкции датчика используется способ согласования отсчетов с помощью одновитковых спиралей, нанесенных на диск точного отсчета (рис. 5.19).
Число спиралей 4 равно числу кодовых дорожек на диске грубого
Рис. 5.19. Схема согласования отсчетов в датчике ДПК-1
отсчета 1, шаг спирали равен величине перемещения соответствующей разрядной дорожки 2 диска грубого отсчета 1 за один оборот диска точного отсчета 5. Считывание кода с разрядных дорожек диска грубого отсчета 1 происходит через диафрагму з и прозрачную спираль 4, располагающуюся нормально к их окружности. Согласование кодов точного и грубого отсчетов обеспечивается посредством определенного расположения замка спирали относительно младшей разрядной дорожки 6 диска точного отсчета (рис. 5.19).
Коммутация разрядов кода грубого отсчета осуществляется при прохождении замка спирали через соответствующую диафрагму в пределах угла поворота диска точного отсчета. При этом замок спирали перемещается на величину, равную ширине диафрагмы. Коммутация разрядов кода точного отсчета осуществляется при прохождении границы кодового участка разрядной дорожки через окно диафрагмы в пределах угла поворота диска точного отсчета. При этом граница кодового участка перемещается на величину, равную ширине диафрагмы.
Если обозначить угловую погрешность расположения окон диафрагмы по отношению к младшей разрядной дорожке диска точного отсчета через 6Д, угловую погрешность расположения границ кодовых участков диска грубого отсчета через 6угр, диска точного отсчета — через 6УТ, а угловую погрешность расположения замка спиралей 63, то условие согласования отсчетов грубого и точного каналов определяется выражением
Аат с —2- + -у- ф- 6Д ф- 6угр ф- 6УТ ф- 6,,,
где 6Т, 6гр — ширина диафрагмы (в угловых единицах) соответственно точного и грубого дисков.
В этом выражении погрешности 6Д, 6УТ, 63 определяются технологическими возможностями изготовления кодовых масок, бт зависит от выбранной ширины диафрагмы и диаметров окружностей разрядных дорожек. Ширину диафрагмы стремятся сделать минимальной, исходя из разрешающей способности фотоприемников, и одинаковой для всех разрядных дорожек. Тогда бт рассчитывается для разрядной дорожки наименьшего диаметра. В приведенной конструкции ширина окон диафрагмы диска грубого отсчета может быть сделана равной ширине окон диафрагмы диска точного отсчета, что является ее преимуществом.
Длина диафрагмы диска точного отсчета ат приблизительно равна ширине разрядной дорожки, а длина диафрагмы диска грубого отсчета а,,,. определяется выражением пур -^- Ф с, где b — длина кодового участка младшей разрядной дорожки диска грубого отсчета; с — ширина спирали. При таком выборе длины диафрагмы за один оборот диска точного отсчета не нарушается непрерывность считывания информации с диска грубого отсчета. 238
рис. 5.20. Структурная схема измерительной системы с кодовым входом
Погрешность 6угр зависит от точности изготовления разрядных дорожек диска грубого отсчета и точности согласующего редуктора.
На рис. 5.19 показано положение границы кодового участка разрядной дорожки в момент коммутации разряда. В опти
мальном случае граница
участка должна находиться в середине окна диафрагмы. Однако правильность считывания кода не нарушается, если она сместится на величину ± — I-^с\ от середины.
Ширина спирали может быть выбрана равной длине диафрагмы разрядных дорожек диска точного отсчета, чтобы обеспечить одинаковый световой поток, попадающий на светочувствительные элементы грубого и точного отсчетов. Таким образом, допустимая погрешность согласующего редуктора может быть значительно увеличена вследствие использования описанного выше метода
согласования отсчетов. К недостаткам конструкции относится необходимость увеличения размеров диска точного отсчета для нанесения спиралей и площади окна фотоприемников в грубом канале отсчета. Среди других известных способов согласования отсчетов в кодовых многооборотных датчиках используется спо
соб коррекции кода в канале грубого отсчета.
Путем логической обработки сигналов, поступающих с дисков, считывание разрядов канала грубого отсчета сдвигается на V4 иены старшего разряда канала точного отсчета, приведенного к валу диска грубого отсчета. При этом устраняется неоднозначность считывания, несмотря на использование одинаковых по
ширине диафрагм грубого и точного каналов, так как исключается коммутация старших разрядов на границе их кодовых участков. Допустимая погрешность поворота выходного вала редуктора не должна превышать угла, соответствующего перемещению старшей разрядной дорожки диска точного отсчета наполовину
длины ее кодового участка.
Применение указанных методов согласования отсчетов позволяет проектировать многооборотные датчики с разрешающей способностью 215 дискрет на диапазон преобразования и выше, что вполне удовлетворяет требованиям, предъявляемым ПСПУ ПР. Структурная схема измерительной системы с кодовым входом показана на рис. 5.20. Ввод информации в систему управления
239
с каждого датчика положения, установленного на подвижных органах манипулятора, осуществляется последовательно по сигналам запроса из системы. Это позволяет сократить число каналов связи системы с манипулятором, что становится существенным если учесть, что количество параллельно считываемых разрядов с каждого датчика достигает 15.
Измерительный вход системы соединен общей шиной с выходами датчиков через ключи, управляемые от кольцевого коммутатора. На вход коммутатора поступают импульсы с тактовой частотой от задающего генератора системы. Осуществляется последовательное возбуждение выходных шин коммутатора, которые управляют ключами, и кодовая информация с соответствующего датчика поступает через общую шину на приемный регистр системы. Время подключения каждого датчика к общей шине ограничено таким образом, чтобы изменение кода за время считывания не превышало одной дискреты при максимальной скорости перемещения по координате. Период обращения к каждому датчику зависит от допускаемой динамической ошибки привода и выбирается около 1 мс.
Подобным образом организована связь с датчиками положения в модификациях роботов «Универсал» и РПМ-25, управляемых от цифровой системы УПМ-772.
Скорость преобразования кодовых датчиков ограничивается частотными возможностями светочувствительных приемников. В конструкции датчика ДП-1 скорость преобразования не превышает 5 кГц.
Устройство формирования характеристики позиционирования. К числу основных узлов СПУ ПР относится устройство формирования характеристики позиционирования.
При перемещении подвижных органов манипулятора возникают значительные инерционные нагрузки на его механическую часть, особенно в окрестности точки позиционирования. Если не предусматривать специальных мер для обеспечения плавного разгона-торможения подвижных органов в процессе позиционирования, то возможна поломка манипулятора. Большинство позиционных СПУ ПР содержит специальное устройство, которое автоматически формирует характеристику разгона-торможения по каждой координате с учетом действующих на нее нагрузок. К указанному устройству предъявляют следующие требования: обеспечение разгона и замедления координаты с ускорением, не превышающим максимально допустимое и за минимальное время; обеспечение отсутствия перерегулирования системы в точке позиционирования; возможность регулировки характеристики замедления по каждой координате.
Как показано на рис. 5.13, устройство формирования подключается к выходу устройства сравнения и входит в цепь следящего контура системы по положению. В некоторых конструкциях систем (см. ниже) устройство формирования охвачено обратной 240
«8x2«8x2usx5JРие.5.21. Харахтеристика (в) и структурная г1. <яещ18в) формирователя системы ПУР-Mtusx5JРие.5.21. Харахтеристика (в) и структурная г1. <яещ18в) формирователя системы ПУР-Mt
«8x2
«8x2
usx5JРие.5.21. Харахтеристика (в) и структурная г1. <яещ18в) формирователя системы ПУР-Mt
usx5JРие.5.21. Харахтеристика (в) и структурная г1. <яещ18в) формирователя системы ПУР-Mt
связью по скорости. Таким образом, на вход устройства поступает разность сигналов заданного и текущего положения координаты, а в некоторых случаях и сигнал мгновенной скорости перемещения. В зависимости от структуры системы управления эти сигналы могут быть цифровыми или аналоговыми. В первом случае устройство формирования выполнено в виде функционального цифроаналогового преобразователя, во втором — в виде усилителя с нелинейной характеристикой.
Выбор характеристики формирователя и параметров регулирования производится на основании экспериментальных исследований динамики позиционирования манипулятора. Характеристика формирователя системы ПУР-2М, предназначенной для управления роботами типа «Универсал», задана в виде кусочнолинейной функции (рис. 5.21, а\ На вход формирователя поступает сигнал
= (Идф -
где иАф — сигнал рассогласования заданного и текущего значений координаты; Uy — сигнал, пропорциональный скорости перемещения.
Приведенная характеристика имеет следующие участки: /—2 — зона нечувствительности; 3—4 — участок «ползучей» скорости ППЫл mini 4—5 — участок замедления; 5—б — участок установившейся скорости Пвых тах.
Регулируемыми параметрами являются: UBX1 — величина у- зоны нечувствительности; UBb,x mM — величина «ползучей» скорости; UBX3 — участок замедления.
Максимальная скорость UBhlx m2X программируется в процессе обучения робота; величина участка «ползучей» скорости U№> зависящая от времени затухания переходного процесса, возникающего в точке 4, выбрана постоянной для всех координат.
Регулировкой величины зоны нечувствительности достигается устойчивость системы регулирования по положению координаты при различных статических и динамических нагрузках. Поскольку указанная система является астатической по положению, то ве-
личина зоны нечувствительности определяет ее точность. Максимальное значение величины зоны нечувствительности не должно превышать цены дискреты датчика положения по данной координате, приведенной ко входу формирователя.
Величина «ползучей» скорости выбирается из условия отсутствия перерегулирования системы более чем на одну дискрету и регулируется в пределах 5—25 % от максимальной скорости.
Величина ускорения при подходе к точке позиционирования зависит от крутизны участка замедления, которая регулируется путем изменения положения точки 5 характеристики. Для каждой координаты манипулятора выбирается такая крутизна, при которой динамические нагрузки, возникающие при замедлении, не превышают допустимых. В системе управления ПУР-2М диапазон регулировки участка замедления [/вхз составляет 1 —10 % от диапазона преобразования датчика положения, приведенного ко входу формирователя.
По своему назначению устройство формирования характеристики разгона (торможения) представляет собой специализированное устройство коррекции, включенное последовательно в цепь следящей системы управления координатой. Исследования подобных систем показывают, что их введение в ПСПУ позволяет существенно улучшить качество позиционирования с точки зрения быстродействия и устойчивости по сравнению с устройствами линейной коррекции.
Формирователь системы ПУР-2М имеет двухканальную структуру, показанную на рис. 5.21, б [А. с. № 706821 (СССР)].
Сигнал рассогласования заданного и текущего значений координаты [/Дф сравнивается с сигналом, пропорциональным скорости перемещения U„, и результат сравнения Пвх поступает параллельно на входы релейного элемента РЭ, имеющего зону нечувствительности Пвх1, и выпрямительного моста В с отсечкой, равной Пвх2. На выходе релейного элемента образуется сигнал sign Пвх, а на выходе моста — сигнал |ИВХ|, который усиливается в К раз и суммируется с сигналом HBblxmin. Результирующий сигнал К (| UBX | + [/вых mln) умножается на величину сигнала sign Unx и поступает на выход формирователя. При изменении входного сигнала URX от 0 до UBx3 форма выходного сигнала соответствует характеристике, показанной на рис. 5.21, а.
Цепь, в которую включен релейный элемент, выполняет функции знакового канала и определяет точность системы; параллельная цепь выполняет функцию амплитудного канала, определяющего качество процесса позиционирования.
Выбранная структура формирователя обеспечивает движение системы регулирования на участке 5—4 с заданным замедлением и движение с ползучей скоростью на участке 3—4.
Исследование устойчивости системы в точке позиционирования можно провести методом гармонической линеаризации нели- 242
рис. 5.22. Функциональная схема формирователя системы ПУР-2М: :;
нейных систем, рассматривая формирователь как нелинейный элемент со ступенчатой характеристикой (см. рис. 5.21, а).
В результате расчета выделяется область в пространстве регулируемых параметров, указанных выше, в которой система обладает устойчивостью и перерегулирование не превышает одну дискрету. Путем изменения коэффициента усиления в цепи обратной связи по скорости область устойчивого равновесия системы трансформируется для получения оптимального сочетания регулируемых параметров с точки зрения быстродействия позиционирования системы по каждой координате. Функциональная схема двухканального формирователя системы ПУР-2М показана на рис. 5.22. Сравнение сигналов U&lfl и UD происходит в устройстве сравнения УС1, на выходе которого включен фильтрующий элемент ФЭ, уменьшающий уровень наводок на измерительном входе формирователя. Усиление сигналов в знаковом и амплитудном каналах осуществляется М-ДМ-усилителями, содержащими соответственно модуляторы Ml и М2 и импульсные усилители У1 и У2.
На входе амплитудного канала включен делитель Д1. Регулировка положения точки начала замедления (7вх3 производится путем изменения коэффициента передачи делителя. Регулировка чувствительности знакового канала осуществляется изменением коэффициента усиления усилителя У1.
Сигнал с выхода усилителя У1 поступает на фазочувствительный выпрямитель ФЧВ, второй вход которого подключен к выходу генератора импульсов ГИ. В зависимости от знака сигнала с У1 включается один из ключей КВ К2, подключая выход амплитудного канала к прямому или инверсному входу тиристорного преобразователя ТП.
На входе усилителя У2 включен выпрямитель В, имеющий нерегулируемую величину отсечки Uвх2. .w
I
Рис. 5.23. Характеристика формировате ля системы АПС-1
Для формирования угла поджига тиристоров в зависимости от величины сигнала рассогласования между заданным и текущим положениями коор- * динаты на входы устройства ибхЛ сравнения УС2 подаются знакопостоянный уровень сигнала
с выпрямителя В и пилообразные импульсы с генератора линейного напряжения ГЛН. Частота пилообразных сигналов синхронизирована с частотой сети, а фаза совпадает с фазой положительной полуволны синусоиды сетевого напряжения. В момент совпадения уровней указанных сигналов на выход устройства сравнения УС2 поступает импульс, который в зависимости от состояния ключей Л7 и К2 производит поджиг прямой или инверсной группы тиристоров в тиристорном преобразователе ТП. Минимальное выходное напряжение U№X mln регулируется путем изменения наклона пилообразного сигнала генератора ГЛН.
В инверсный канал тиристорного преобразователя включена зедержка т длительностью 10 мс для обеспечения фазирования поджигающего импульса с отрицательной полуволной синусоиды сетевого напряжения. Выбор максимальной скорости перемещения 17ВЬ1Х щах осуществляют путем изменения динамического диапазона усилителя У2. Приведенная схема обеспечивает заданную точность системы, необходимый диапазон регулирования и требуемую нелинейную характеристику позиционирования.
Возможны и другие способы построения устройства формирования характеристики позиционирования.
В аналоговой системе АПС-1, выполненной как модификация системы ПУР-2М, указанное устройство реализует характеристику, показанную на рис. 5.23. Особенностью этого устройства по отношению к вышеописанному является то, что оно не охвачено обратной связью по скорости. Система АПС-1 предназначена для работы с приводом ЭПТ, который представляет собой регулируемый тиристорный привод постоянного тока, замкнутый по скорости. Характеристика содержит три участка: замедления, ползучей скорости, окрестность точки позиционирования. Характеристика участка замедления описывается параболической функцией, аргументом которой является расстояние до точки позиционирования. Участок В характеристики формирователя, с которой начинается процесс замедления, регулируется в широких пределах, в зависимости от характера нагрузки по каждой координате. Параболический характер функции замедления обеспечивает движение координаты на этом участке с постоянным ускорением, что является наиболее оптимальным.*
На участке ползучей скорости движение координаты осуществляется с постоянной скоростью, величина которой не регулируется. Длина участка регулируется, чтобы иметь возможность погасить упругие колебания механической системы, вызванные изменением ускорения в точке излома, расположенной в конце участка замедления. Указанная регулировка обеспечивается за счет изменения крутизны участка в окрестности точки позиционирования, который описывается линейной функцией.
Как показано на рис. 5.23, tg а = К может изменяться в пределах от 1 до 5. Наклон характеристики этого участка выбирается в зависимости от динамической нагрузки соответствующей координаты для обеспечения ее устойчивости и отсутствия перерегулирования в точке позиционирования. Устройство формирования характеристики в системе АПС-1 обеспечивает большее быстродействие процесса позиционирования по сравнению с системой ПУР-2М. Функциональная схема устройства приведена на рис. 5.24.
Входной сигнал поступает с диагонали измерительного моста. Схема имеет двухканальную структуру в соответствии с приведенной выше характеристикой. Один из каналов предназначен для формирования параболического участка характеристики, другой — для формирования линейного участка. Усиление сигнала, поступающего на вход устройства, производится по схеме усилителя постоянного тока с МДМ.
Модуляция входного сигнала осуществляется модуляторами Ml, М2, причем на входе модулятора Ml подключен делитель Д1 для регулирования параметра В характеристики. Частота модуляции составляет 2,5 кГц, модулирующие импульсы поступают с выхода генератора ГИ. Модулированный сигнал усиливается операционными усилителями У1 и У2, собранными на интегральных микросхемах ИМС К1УТ401Б. Усилитель У2 имеет регулировку коэффициента усиления для выбора параметра К характеристики.
Рис. 5.24. Функциональная схема формирователя системы АПС-1
На выходе усилителя У1 подключен функциональный преобразователь ФП, выполненный на ИМС К1УТ401Б, охваченный нелинейной обратной связью для формирования параболической зависимости выходного сигнала от входного. Функциональный преобразователь ФП и усилитель У/ имеют регулировку коэффициента усиления для формирования параболической характеристики с заданными параметрами.
Устройства ДМ1 и ДМ2 осуществляют демодуляцию сигналов на выходе соответственно первого и второго каналов, которые затем суммируются в устройстве СМ. На выходе СМ образуется суммарный сигнал (см. рис. 5.23), который усиливается и поступает на выход устройства.
Одновременно с формированием характеристики разгона-замедления в устройстве формируется сигнал окончания позиционирования по координате. Для этого на выходе модулятора М2 последовательно включены усилитель УЗ, выпрямитель ВП, фильтр Ф и одновибратор ОВ. При отсутствии входного сигнала, т. е. при условии установки координаты в точку позиционирования, одновибратор ОВ переходит в устойчивое состояние, и разрешающий уровень поступает на выход схемы. Коэффициент усиления УЗ регулируется. Два его значения в пределах диапазона регулирования могут задаваться от программы. Одно из значений соответствует команде «точного» позиционирования, второе — команде «грубого» позиционирования.
Точное позиционирование может осуществляться с максимальной разрешающей способностью + 10 мВ по входу устройства, грубое — с минимальной разрешающей способностью +250 мВ по входу.
Аналоговые СПУ ПР, описание, характеристики. Для управления роботами типа «Универсал» и РПМ-25, снабженными потенциометрическими датчиками положения, используются аналоговые системы программного управления ПУР-2М и АПС-1, основные узлы которых описаны выше. В отечественной робототехнике эти системы не имеют аналогов, за рубежом ближайшим их аналогом является СПУ ПР «Versatran-500P» (Великобритания) [51 1. Однако по сравнению с последней, системы ПУР-2М и АПС-1 имеют ряд существенных различий в конструкции вводного устройства, накопителя, устройства формирования характеристики разгона-замедления, привода. Конструктивно система выполнена в виде напольного шкафа с выносным пультом обучения, который связан с манипулятором посредством гибких кабелей.
Программирование осуществляется по кадрам. В состав кадра входят информация о перемещениях схвата по транспортирующим и ориентирующим координатам, команды на схват манипулятора, технологические команды, вспомогательные команды. Структура кадра показана на рис. 5.25. Программа набирается оператором на штекерном барабане в соответствии с технологической картой 246
Информация
Номер положения схвата
Команды на манипулятор
Номер технологической команды
Номер команды задержки цикла
Контроль осветителя
по транспортным координатам
по ориентирующим координатам
Зажим
Разжим
Разряды
1 ... 5
6 ... 9
10
11
12 ... 16
17 ... 19
20
Код
Двоичнодесятичный
Унитарный
Двоичнодесятичный
Унитарный
Унитарный
Рис. 5.25. Структура кадра системы ПУР-2М .—^ „^ . jt
переходов, в которой указаны номер и наименование перехода, номер позиции схвата команды на манипулятор и номера технологических и вспомогательных команд. В состав каждого перехода может входить вся перечисленная информация или часть ее, не содержащая указанных команд. Запись положения схвата в каждом переходе обязательна, включая случаи, когда схват остается в прежней позиции. Номер перехода соответствует номеру кадра программы. Информация, записанная в кадре, отрабатывается в следующей последовательности: позиционирование схвата по всем координатам с контролем положения схвата в заданной позиции, отработка команд на манипулятор, отработка технологических команд с контролем исполнения.
Запись исходных данных программы, т. е. положение схвата по каждой координате производится путем «обучения» системы. Набор программы и запись исходных данных осуществляется оператором в «ручном» режиме работы системы, контроль программы осуществляется по кадрам в автоматическом режиме. Функциональная схема системы показана на рис. 5.26. Вводное устройство представляет собой штекерный барабан, на котором набирается программа рабочего цикла в двоично-десятичном коде.
Считывание программы осуществляется с помощью лампы ИСК-Ю, которая формирует импульс светового потока при срабатывании У42 в автоматическом режиме или при замыкании К2 (Кн1) в ручном режиме. Незакрытые штырем фотодиоды в момент подачи светового потока формируют импульсы тока, которые запоминаются в блоке усилителей фотосчитывания УФ1—УФ20.
Для сброса предыдущей информации перед импульсом светового потока на блок фотосчитывания подается импульс «установка 0». . . -
Вбодное устройство№ задатчикаМ® задатчика кистиКоманда зажимКоманда разжимТехнологические командыЗадержка циклаКонтроль осВетителяВбодное устройство№ задатчикаМ® задатчика кистиКоманда зажимКоманда разжимТехнологические командыЗадержка циклаКонтроль осВетителя| Деш / | ^Деш 2 [| Деш / | ^Деш 2 [УФ1...УФ5^Ф5 УФу\УФ1...УФ5^Ф5 УФу\Н АН Аг-1—, Ш\ПрЗ\ \г-1—, Ш\ПрЗ\ \EZ5EZ5W" 1 .I ♦ Зажим^ГГ I РУ [РазжимW" 1 .I ♦ Зажим^ГГ I РУ [Разжим\w\wК л /К л /Р25Р25Р26Р26КУ1КУ1СП1СП1уфп | р5уфп | р5Обслуживаемое оборудованиеОбслуживаемое оборудование^Кл 2 Вкл. ]^Кл 2 Вкл. ]\У25Вкл Л ‘\У25Вкл Л ‘М \У26Зажим I РазжимМ \У26Зажим I Разжимк/. \у^Гт\ 73- 1—I—1 и—I—1 | зм \kl.k3 |ут...ипбк/. \у^Гт\ 73- 1—I—1 и—I—1 | зм \kl.k3 |ут...ипбСинхр. Ручн I . 50 Гц ।1^ТПк ,ТПб\-\пт,..ППб\«^Д81...ДВб\ЗуГП...ТГ6 I*1Синхр. Ручн I . 50 Гц ।1^ТПк ,ТПб\-\пт,..ППб\«^Д81...ДВб\ЗуГП...ТГ6 I*1
Вбодное устройство
№ задатчика
М® задатчика кисти
Команда зажим
Команда разжим
Технологические команды
Задержка цикла
Контроль осВетителя
Вбодное устройство
№ задатчика
М® задатчика кисти
Команда зажим
Команда разжим
Технологические команды
Задержка цикла
Контроль осВетителя
| Деш / | ^Деш 2 [
| Деш / | ^Деш 2 [
УФ1...УФ5^Ф5 УФу\
УФ1...УФ5^Ф5 УФу\
Н А
Н А
г-1—, Ш
\ПрЗ\ \
г-1—, Ш
\ПрЗ\ \
EZ5
EZ5
W" 1 .
I ♦ Зажим^
ГГ I РУ [Разжим
W" 1 .
I ♦ Зажим^
ГГ I РУ [Разжим
\w
\w
К л /
К л /
Р25
Р25
Р26
Р26
КУ1
КУ1
СП1
СП1
уфп | р5
уфп | р5
Обслуживаемое оборудование
Обслуживаемое оборудование
^Кл 2 Вкл. ]
^Кл 2 Вкл. ]
\У25
Вкл Л ‘
\У25
Вкл Л ‘
М \У26
Зажим I Разжим
М \У26
Зажим I Разжим
к/. \у^Гт\ 73- 1—I—1 и—I—1 | зм \kl.k3 |
ут...ипб
к/. \у^Гт\ 73- 1—I—1 и—I—1 | зм \kl.k3 |
ут...ипб
Синхр. Ручн I . 50 Гц ।1
^ТПк ,ТПб\
-\пт,..ППб\«^Д81...ДВб\ЗуГП...ТГ6 I*1
Синхр. Ручн I . 50 Гц ।1
^ТПк ,ТПб\
-\пт,..ППб\«^Д81...ДВб\ЗуГП...ТГ6 I*1
Цис. 5.26. Функциональная схема системы ПУР-2М
Сигналы с усилителей фотосчитывания УФ1—УФ5 — задатчиков руки, УФ6—УФ9 — задатчиков кисти поступают на дешифраторы соответственно Деш1 и Деш2, на выходы которых включены усилители У1—У16 и У17—У24. Усилители У1—У16 и У17—У24 включают реле Р1—Р16 и Р17—Р24. Реле Р1—Р16 и Р17—Р24 коммутируют задатчики R1—R48 по руке и R49— R72 по кисти.
Сигналы задатчиков R1—Кб сравниваются с сигналами соответствующих датчиков ПП1—ПП6 в схеме измерительного моста, диагональ которого подключена к входу соответствующего усилителя привода УП1—УП6.
Каждый усилитель привода работает на свой тиристорный преобразователь ТП1—ТП6. Тиристорный преобразователь управляет работой двигателя Дв1—Двб. На тиристорный преобразователь импульсы управления поступают как с усилителя привода в автоматическом режиме, так и с пульта обучения ПО в ручном режиме.
С помощью преобразователя Пр4 импульсы управления можно сдвинуть по фазе относительно питающего напряжения.
Переключатель галетный ПГ служит для поочередного подключения к измерительной диагонали моста микроамперметра МКА, точность измерения которого зависит от положения кнопки КнЗ. При нажатии КнЗ режим измерений точный.
По показателям измерительного прибора можно определить величину входного сигнала, , .,
248
Н Момент окончания позиционирования по всем координатам ■ в автоматическом режиме контролируется нуль-органом НО1 — ■ НО6. При отсутствии импульсов на тиристорных преобразова- ™ телях на выходе нуль-органов появляется разрешающий уровень. При наличии разрешающего уровня с нуль-органов НО1 НО6 ключи Кл1 и Кл2 снимают запрет на прохождение сигналов усилителей фотосчитывания УФ10—УФ11 зажима и разжима, которые управляют работой усилителей У25—У26.
К Усилитель У25 работает на реле Р25, которое ставится на К самоблокировку (при срабатывании усилителя У26 (Р26) бло- кировка снимается). Сигналы с реле Р25 управляют работой
К электромагнита схвата ЭМ. Реле Р25, Р26 можно включить в руч- К ном режиме от пульта ручного обучения.
В Крайнее положение захвата можно контролировать контроль- К ным устройством КУС При появлении разрешающего уровня к с КУ1 и т1 схема совпадения СП1 выдает разрешающий уровень К на ключ КлЗ и элемент задержки т2.
* Ключ КлЗ запрещает прохождение сигналов с усилителей ; фотосчитывания УФ12—УФ16 — усилителей технологических ■ команд. При появлении разрешающего уровня на КлЗ сигналы . с усилителей фотосчитывания УФ12—УФ16 поступают на дешиф- 1 ратор ДешЗ, с выхода дешифратора на усилители реле У27—У38, . которые коммутируют реле Р27—Р38.
СП2СП2С контактов реле (нормально разомкнутых) на обслуживаемое оборудование выдаются команды в соответствии с набранным 5 кодом. При наличии команды (нормально замкнутые контакты ; реле) от обслуживаемого оборудования с выхода контрольного С устройства КУ2 на схему совпадения СП2 поступает разреша-
СП2
СП2
ющий уровень. После срабатывания т2 и КУ2 с выхода
| будет идти разрешающий уровень на элемент выдержки времени ЭВ В.
про- обу-про- обу-Величина выдержки времени ЭВВ зависит от набранной граммы УФ17—УФ19, которую можно регулировать при чении.
про- обу-
про- обу-
Усилитель фотосчитывания УФ20 срабатывает при отсутствии светового потока и переключает с автоматического режима на ручной реле Р43. Для перевода штекерного барабана используется двигатель Дв7, который управляется через преобразователь Пр5. Преобразователь Пр5 обеспечивает стартстопный (на один шаг) и непрерывный режим вращения барабана вводного устройства. Устройство КУЗ отключает двигатель Дв7 в конце каждого шага и осуществляет синхронизацию СИ.
При работе в ручном режиме имеется возможность подать технологические команды с пульта, установив переключатель ПКМ. в положение соответствующей команды и нажав кнопку К^4. В ручном режиме барабан вводного устройства можно установить на необходимую строку с помощью кнопок Кн2 (ускоренный перевод) и Кн1 (стартстопный перевод), для чего последняя
кк-
подключена ко входу преобразователя Пр5 через дифференцирующую цепочку ДЦ1.
Взаимодействие оператора с системой управления осуществляется в определенном порядке. Установив «ручной» режим работы системы, оператор набирает программу по кадрам на штекерном барабане. При этом для установки требуемого кадра он пользуется кнопками «ускоренного» и «стартстопного» перевода барабана. Предусмотрен также его реверс. Обучение системы оператор начинает с первого кадра программы. С помощью пульта обучения ПО оператор помещает схват робота в требуемую позицию. На пульте управления системы включаются лампочки, соответствующие группам задатчиков транспортных и ориентирующих координат, записанных в первом кадре. Оператор осуществляет запись позиции схвата раздельно по каждой координате путем балансирования измерительного моста, образованного соответствующим датчиком и задатчиком, вращая ось задатчика, выведенную на панель управления системы.
Контроль баланса осуществляется по показаниям микроамперметра МКА, переключение координат — посредством переключателя ПГ. Если необходимо, оператор может зажать и разжать схват, пользуясь пультом обучения, или подать необходимую технологическую команду с пульта системы, установив ее номер на переключателе ПКН и нажав кнопку Кн4. Подобным образом оператор производит обучение системы для остальных позиций схвата. Контроль программы осуществляется оператором по кадрам, начиная с кадра, соответствующего исходной позиции схвата. Оператор устанавливает стартстопный режим работы вводного устройства, перемещает схват в исходную позицию и включает автоматический режим. Происходит позиционирование схвата по координатам, имеющим разбаланс в измерительной цепи. После окончания позиционирования, при наличии разрешающего сигнала с нуль-органов Н01—Н06 последовательно выполняются команды управления схватом и технологические команды.
Оператор переводит систему в ручной режим и визуально контролирует положение схвата и правильность выполнения команд. В случае необходимости производят коррекцию положения схвата путем повторного обучения. Аналогичным образом контролируют остальные кадры программы.
Автоматический цикл работы обеспечивается при переводе системы в автоматический режим и выключении стартстопного режима перевода барабана.
Система ПУР-2М, как показала практика эксплуатации, удовлетворяет требованиям, предъявляемым к роботам типа «Универсал» и РПМ-25. Однако при автоматизации более сложных РТК возникают дополнительные требования, связанные с увеличением предельного числа точек позиционирования, числа технологических команд, увеличением точности, быстродействия, 250
числа вспомогательных команд и команд на манипулятор. Применение перспективного электрического привода в указанных конструкциях роботов потребовало увеличения мощности исполнительных электродвигателей.
При построении РТК, управляемых от ЭВМ, возникает необходимость в сопряжении системы управления роботом с ЭВМ участка. В соответствии с этими требованиями на базе системы ПУР-2М разработана модифицированная система АПС-1, предназначенная для управления более широким классом роботов типа «Универсал» и РПМ-25, включая ПР с электрическим приводом, имеющие в своем составе тиристорный регулируемый электропривод ЭПТ и датчики положения ППМЛ. Техническая характеристика системы АПС-1 приведена в табл. 1.1.
В этой системе программирование точек позиционирования, команд на манипулятор и технологических команд осуществляется в двоичном коде, программирование вспомогательных команд — в унитарном коде. Диапазон выбора выдержки времени составляет 0—25 с (плавное регулирование), диапазон выбора точности позиционирования — 20 и 200 мВ (фиксированное значение).
Последовательность отработки информации, программируемой в кадре, включает позиционирование по координатам, команды на манипулятор, технологические команды, выдержку времени с обеспечением контроля выполнения отдельных переходов.
Тип накопителя — потенциометрический, одноадресный, шестикоординатный с индикацией номера потенциометра по каждой координате. Емкость накопителя: по координате 1, 2, 3 — четырнадцать потенциометров, по координате 4, 5, 6 — семь потенциометров. Предусмотрен режим обучения и автоматический режим АПС-1 при автономном управлении и от ЭВМ М-6000.
При автономном управлении в режиме обучения обеспечиваются: подача команды на управление тормозных муфт, подача технологических команд с пульта системы, подключение измерительного прибора к датчику положения, управление электроприводом от пульта обучения, подача команд на манипулятор от пульта обучения, блокировка следящего режима координат по положению, контроль установки движков задатчиков с точностью +5 мВ при отключенной цепи нагрузки, стартстопный и ускоренный перевод барабана с пульта системы, блокировка электропривода, аварийная подача команды на блокировку выходных цепей электропривода от пульта «обучения».
Пульт «обучения» соединяется с системой посредством кабеля длиной до 6 м и обеспечивает плавную регулировку скорости перемещения по всем координатам. Включение координат — раздельное с помощью трехпозиционных переключателей. Диапазон регулирования скорости 0—0,25.
При автономном управлении в автоматическом режиме обеспечиваются блокировки подачи технологических команд с пульта системы и управления от пульта обучения, а также индикация
251
автоматического режима. В режимах обучения и автоматическом предусмотрено включение-выключение гидростанции от кнопок расположенных на пульте системы.
При управлении от ЭВМ М-6000 в режиме обучения обеспечиваются обучение системы, запись программы в накопитель ЭВМ с пульта оператора М-6000, покадровый ввод программы в буфер- ный регистр системы с пульта оператора М-6000, контроль правильности ввода кадров программы. При управлении от ЭВМ М-6000 в автоматическом режиме обеспечиваются требования автоматического режима: блокировка устройства перевода барабана и устройства считывания системы, покадровый автоматический ввод программы в буферный регистр системы по сигналу окончания отработки очередного кадра, покадровая автоматическая отработка программы, записанной в буферный регистр системы, автоматический контроль правильности ввода кадра программы в систему, блокировка системы при ошибках ввода программы с индикацией сбоя. Длина кабеля, связывающего систему с ЭВМ, не превышает 50 м.
Параметры выходного сигнала для управления электроприводом: вид сигнала — знакопеременный уровень напряжения, число независимых каналов управления — 6, пульсация выходных сигналов не должна превышать 10 мВ, дрейф выходного сигнала не должен превышать +5 мВ, допустимый уровень наводок на нагрузке 5 кОм — 5 мВ — измеряется на выходном разъеме АПС-1. Элементно-конструктивная база — интегральные микросхемы серии 140 и 155, полупроводниковые элементы и реле. Время непрерывной работы системы — 16 ч.
Выходная характеристика системы — нелинейная и должна иметь регулировку коэффициента передачи по отношению к сигналу с датчика в пределах 1—5 при входном сигнале до 0,1 В, а при входном сигнале 1,5—10 В, выходное напряжение должно составлять 4,5—5,5 В на активной нагрузке 5,1 кОм.
Конструктивно система выполнена в виде напольного шкафа и связана с роботом и электроприводом ЭПТ гибкими кабелями. Программирование системы АПС-1 не отличается от описанного для системы ПУР-2М. Однако состав кадра (рис. 5.27) значительно расширен. Номер положения схвата программируется по каждой координате раздельно, введены вспомогательные команды программирования скорости, точности, ускоренного перевода барабана; число технологических команд и команд на манипулятор увеличено.
Команда программирования скорости используется при необходимости понизить скорость движения схвата, которая регулируется оператором с помощью потенциометра, установленного на плате формирователей характеристики разгона-замедления, в широких пределах.
Команда программирования точности используется для увеличения быстродействия процесса позиционирования в проме- 252
Информация
Номер положения схвата
Номер вспомогательных команд
ПО коорд.
1
по кэорд.
2
ПО
коорд.
3
ПО
коорд.
4
ПО
коорд.
5
по коорд.
6
скорости
точности
Разряды
1...4
5 ...8
9 ...12
13...15
16...18
19...21
22
23
Код
Двоичный
Унитарный
Информация
Номер команды на манипулятор
Номер технологической команды
Номер команды задержки цикла
Сброс команд манипулятора
Контроль осветителя
Ускоренный перевод
Разряды
24 ... 26
27 ... 30
31, 32
33
34
35
Код
Двоичный
Унитарный
Рис. 5.27. Структура кадра системы АПС-1
жуточных положениях схвата, когда не требуется высокой точности его установки. Быстродействие увеличивается за счет увеличения зоны нечувствительности измерительной цепи системы. Ускоренный перевод барабана необходим для увеличения быстродействия вводного устройства. Кадры программы, в которых задана указанная команда, не считываются, а перевод барабана осуществляется в непрерывном режиме с повышенной скоростью. Команда применяется для пропуска незаполненных программой строк барабана. Программирование команд на манипулятор имеет некоторые особенности по сравнению с системой ПУР-2М.
Команды двухпозиционные, т. е. обеспечивается их включение и выключение по программе. Программирование включения любой из семи команд предусмотрено в 24—26-м разрядах кадра, выключение указанной команды происходит при наборе команды «Сброс команд манипулятора» в 33-м разряде кадра.
Функциональная схема системы показана на рис. 5.28. Система может работать в трех режимах: ручном, автоматическом и от ЭВМ.
В ручном режиме оператор производит набор программы на программоноситель ПР, пользуясь технологической картой переходов, и запись положений происходит по каждой координате аналогично вышеописанному для системы ПУР-2М. При этом
253
Рис. 5.28. Функциональная схема системы АПС-1
оператор имеет возможность наблюдать формат кадра на табло индикации Ин, выбирать нужный кадр при ускоренном и старт- стопном режимах работы устройства ввода программы УВВ.
В помощью контрольного устройства КУ оператор контролирует баланс измерительных мостов, образованных потенциометрами датчиков положения ДП и потенциометрами накопителей координат П1—П6. Сигнал на вход контрольного устройства поступает со схем сравнения УС1—УСб.
В ручном режиме оператор имеет возможность подать команды на манипулятор с пульта системы, пользуясь переключателем И КМ, а на обслуживаемое оборудование — пользуясь переключателем ПТ К- При этом осуществляется индикация поданных команд с одновременным запретом прохождения команд, набранных в программе, после нажатия кнопки отработки команд ПН. При отпущенной кнопке ПН обеспечивается индикация номеров команд, заданных в программе, но запрещается их отработка. С пульта обучения ПО оператор управляет движением по каждой координате, выбирая направление движения и скорость, подает команды зажима и разжима схвата.
Контроль записанной программы осуществляется ио кадрам в автоматическом режиме. Для этого устройство ввода программы 254
переключается в стартстопный режим, и устанавливается начальный кадр программы. При установке кадра происходит его считывание (устройство считывания УСЧ) и запись в накопительный регистр. Пользуясь табло индикации, оператор проверяет содержимое кадра. Номер положений схвата, заданный в кадре, преобразуется в унитарный код с помощью дешифратора Деш!— Дешб.
Сигналы с выходов дешифраторов усиливаются (усилители УД1—MK6Y и происходит включение соответствующих потенциометров в накопителях П1—Пб. Положение датчиков можно контролировать с помощью устройства КУ, подключенного к выходам устройств сравнения УС1—УС6, сигналы с которых поступают также на входы устройств формирования характеристики разгона-замедления УФ1—УФб. Последние формируют сигналы для управления приводом ЭПТ, однако их отработка блокирована (переключатель «Авт.»). Сигнал окончания позиционирования формируется в устройстве «Нуль-орган» НО, подключенном к выходам устройства сравнения.
В ручном режиме при наличии указанного сигнала на выходе нуль-органа отработка команд на манипулятор и обслуживаемое оборудование блокирована (переключатель «Авт».). При переключении системы в автоматический режим происходит отработка рассогласования в измерительных цепях координат со скоростью, заданной в программе. После окончания позиционирования с точностью, заданной в программе, на выходе нуль-органа образуется сигнал, включающий логические ключи ЛК1. Команды на манипулятор из накопительного регистра поступают на вход дешифратора Деш7, преобразуются в унитарный код и отрабатываются в блоке команд БКМ. В момент поступления сигнала с манипулятора об исполнении запрограммированной команды на выходе БКМ образуется сигнал, включающий логические ключи ЛК2. Команды на технологическое оборудование из накопительного регистра поступают на вход дешифратора Деш8, преобразуются в унитарный код и отрабатываются в блоке команд БКТ. Предусмотрен контроль их исполнения, после которого с выхода блока команд БКТ сигнал поступает в устройство выдержки времени. Время задержки цикла программируется. С целью увеличения быстродействия системы при отсутствии в кадре команд на манипулятор или технологическое оборудование предусмотрены цепи для прохождения сигнала на устройство выдержки времени минуя инерционные блоки БКМ или БКТ. В частности, при отсутствии команд манипулятора включение логических ключей ЛК1 происходит с выхода дешифратора Деш7 (выход «О»), а при отсутствии технологических команд сигнал на вход устройства выдержки поступает с аналогичного выхода дешифратора Деш8. По истечении времени заданной задержки сигнал с выхода Устройства выдержки времени поступает в устройство ввода
Если устройство находится в стартстопном режиме работы, считывание очередного кадра блокируется.
В автоматическом режиме происходит считывание очередного кадра и перевод барабана на следующую строку. В момент считывания происходит сброс накопительного регистра и запись нового кадра. На это время отработка команд блокируется сигналом СИ. В автоматическом режиме блокируется также подача команд с пульта обучения и пульта системы. После отработки программы в автоматическом цикле целесообразно использовать команду ускоренного перевода. По этой команде УВВ переводит барабан в непрерывном режиме без считывания кадров, в которых указанная команда запрограммирована, до момента установки кадра, где она отсутствует. Для этой цели используется дополнительный осветитель с постоянным световым потоком ОС, считывающий информацию с 35-го разряда кадра.
Если при считывании очередного кадра в ячейку накопительного регистра, соответствующую 34-му разряду кадра, не запишется логическая единица вследствие отказа импульсной лампы, усилитель У/ включит реле К1 и система переходит в ручной режим работы. Таким образом осуществляется контроль работы осветителя.
Индикация вспомогательных команд скорости, точности, задержки цикла осуществляется на пульте управления системы в унитарном коде в ручном и автоматическом режимах.
В режиме работы системы от ЭВМ переключатель АПС разомкнут, переключатель ЭВМ — замкнут. Программа работы системы хранится в памяти ЭВМ, и по сигналу конца отработки кадра КОП очередной кадр записывается в накопительный регистр. В момент записи с ЭВМ подается сигнал КВП, аналогичный сигналу СИ, для блокировки команд и сброса накопительного регистра. Устройство ввода программы УВВ в этом режиме блокируется и используется в ручном режиме для обучения системы.
ЭВМ работает в режиме диспетчера программы, поэтому число кадров может значительно превышать емкость программоносителя, а их выборка — произвольная.
Принятые конструктивные решения в системе АПС-1 позволили значительно расширить ее технологические возможности. В частности, повышение точности системы достигнуто путем увеличения жесткости, быстродействия и диапазона регулирования привода ЭПТ по сравнению с однофазным приводом системы ПУР-2М. Одновременно значительно увеличена мощность привода. Для обеспечения устойчивости следящей системы в точке позиционирования и плавного замедления подвижных звеньев манипулятора сформирована нелинейная характеристика разгона-замедления. Более рациональное использование накопителя, содержащего потенциометры ППМЛ, достигается тем, что применена адресная система задания позиций схвата. Особенный эффект можно получить при прямоугольной системе координат ПР.
цикловыё систёмы МюгрАммногО
УПРАВЛЕНИЯ
Особенности цикловых СПУ. Для управления ПР типа «Циклон» и «Ритм», находящимися в эксплуатации, используют цикловые системы управления моделей ПУР-Ц, УПУ-ЦМ, УЦМ-20. Класс цикловых систем управления ПР имеет свои особенности по составу алгоритмов, конструктивному решению основных узлов, принципам построения функциональной схемы, которые обусловлены техническими требованиями, предъявляемыми к ним.
Для конструкции цикловых СПУ ПР характерны: небольшая емкость программоносителя, простейшие алгоритмы управления, как правило, имеющие жесткую структуру, большой удельный вес и разнообразие аппаратных средств для сопряжения с электроавтоматикой манипулятора, небольшие габариты и стоимость.
Среди основных алгоритмов управления необходимо отметить реализацию заданной циклограммы движения манипулятора, контроль программы, диагностику неисправностей основных узлов, реализацию связи с обслуживаемым оборудованием.
Процесс обучения состоит в визуальном контроле программы, так как положение подвижных органов манипулятора задается жесткими упорами.
Примером конструкции цикловых СПУ ПР является система ПУР-Ц, которая предназначена для управления ПР «Циклон-ЗБ». Технические характеристики системы ПУР-Ц приведены в табл. 2.1. Конструктивно система выполнена в виде напольного шкафа с выносным пультом обучения, который связан с манипулятором посредством гибких кабелей.
Предварительный набор программы осуществляется по кадрам на штекерной панели. В состав кадра входят команды о перемещении подвижных органов манипулятора, команды на технологическое оборудование, вспомогательные команды. Структура кадра показана на рис. 5.29.
Программа набирается оператором в соответствии с технологической картой переходов, в которой указаны номер и наименование перехода (движение подвижных органов, зажим или разжим схвата, подача технологических команд).
Кроме того, в состав перехода могут быть включены вспомогательные команды. Указанные переходы записываются последовательно в порядке их отработки в цикле. В одном кадре может быть записано несколько переходов, начинающихся одновременно. Программирование движения по 1-й координате осуществляется двумя командами, из которых одна задает точку позиционирования, а другая — направление движения.
Исполнение команд, записанных в кадре, — параллельное. Технологические команды контролируются по ответным сигналам с оборудования, команды на перемещение транспортирующих
2572579 Шифрин Я. А. и др.
257
257
Информация
Координата 1
Координата 2
Координата 3
Упор
1
Упор
2
Упор 3
Упор
4
Вправо
Влево
Прямо
Реверс
Прямо
Ре- вере
Разряды
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
Код
Унитарный
Информация
Координата 5
Координата 4
Координата 6
Схват 1
Схват 2
Прямо
Реверс
Прямо
Реверс
Прямо
Реверс
Зажим
Разжим
Зажим
Разжим
Разряды
11
12
13
14
15
16
17
18
19
20
Код
Унитарный
Информация
Команды на технологическое оборудование
Команда ускоренный переход
Конец цикла
Разряды
21
22
23
24
25
26
27
28
29
30
Код
Унитарный
Рис. 5.29. Структура кадра системы ПУР-Ц
подвижных органов датчиками положения, команды на зажим- разжим схвата и его ориентацию — по времени.
Команда «Конец цикла» записывается в конце программы. По команде «Конец цикла» происходит автоматическая установка начального кадра программы. По команде «Ускоренный проход» контроль перемещения подвижных органов осуществляется только по времени, заданному оператором с пульта управления.
Структурная схема системы показана на рис. 5.30. Система позволяет оператору осуществлять управление ПР в трех режимах: ручном, шаговом, автоматическом.
Ручной режим используется для проверки функционирования приводов манипулятора и датчиков положения. Пользуясь пультом наладки ПН, оператор имеет возможность подать команду на 258
Рис. 5.30. Структурная схема системы ПУР-Ц
электромагниты привода ЭМИ и электромагниты тормозов ЭМТ и переместить схват манипулятора в требуемую точку. Проверка датчиков осуществляется при установке подвижных органов манипулятора в опорные точки. При этом флажки должны быть заведены в датчики. Если датчики исправны, должна загореться лампа «Контроль» на пульте наладки. С помощью переключателя Ш можно осуществить автономную проверку датчиков и цепи совпадения. Одновременно проверяется правильность установки флажков на манипуляторе.
В шаговом режиме осуществляется покадровая отработка программы и ее контроль. Перевод шагового искателя ШИ на очередную строку осуществляется при нажатии кнопки КН при условии, что выполнено предыдущее движение. Начиная с первого кадра, оператор визуально контролирует правильность выполнения программы. В автоматическом режиме происходит циклическая отработка программы. Система функционирует следующим образом. При установке шагового искателя ШИ на строку штекерной панели ШИ происходит считывание кадра и включаются соответствующие промежуточные реле в устройстве ПР. Своими контактами они включают электромагнитные приводы ЭМИ, и осуществляется движение по заданным координатам и управление схватом. Одновременно сигналы с реле, которые включают движение по ориентирующим координатам, поступают на вход устройства УВВ, в котором оператором задается интервал для осуществления указанных движений. Если в кадре программируется зажим- разжим схвата, то сигналы с соответствующих реле поступают на вход устройства У ВС, в котором оператором задается необходимый интервал времени для обеспечения зажима или разжима-схвата.
'"Сигналы с реле, задающие направление движения по первой координате, подаются на вход устройства совпадения УС1, с вы-
хода которого поступают сигналы на включение электромагнитов тормозов при входе флажка в рабочую зону соответствующего датчика тормоза ДТ. Окончание позиционирования по транспортирующим координатам контролируется датчиками положения ДП, сигналы с которых поступают на входы устройства совпадения УС2. Сигнал окончания позиционирования по ориентирующим координатам поступает через определенный интервал времени с устройства УВВ на другой вход устройства совпадения УС2, сигнал окончания зажима-разжима схвата поступает с устройства УВД на третий вход устройства совпадения. Если в кадре программируется технологическая команда, то сигнал о ее выполнении поступает с датчиков технологических команд ДТД на четвертый вход устройства совпадения УС2.
Сигнал на выходе устройства совпадения появляется при наличии указанных сигналов на всех его входах, что соответствует моменту окончания отработки кадра. Перевод шагового искателя на новый кадр осуществляет входной сигнал устройства управления УУ, подключенного к выходу устройства сравнения УС2.
При отсутствии в кадре информации о перемещении подвижных органов, управлении схватом или технологических командах датчики положения, устройства УВВ и У ВС или соответственно датчики технологических команд выдают разрешающие уровни сигналов на устройство совпадения УС2. В начальный момент при отработке очередного кадра на входах устройства УС2 также присутствуют разрешающие уровни. Однако перевод шагового искателя на следующий кадр блокируется до момента разрыва цепи совпадения вследствие отработки очередного кадра.
Команды ускоренного прохода точек поступают на вход устройства задания временных интервалов УЗВ. Оператор имеет возможность запрограммировать три временных интервала в диапазонах 0,2—1 с, 0,3—2 с, 0,4—3 с. Момент считывания кадра совпадает с началом отсчета времени в устройстве УЗВ. По окончании заданного временного интервала независимо от положения подвижных органов на выход устройства поступает сигнал перевода кадра.
По команде «Конец программы» сигнал с выхода штекерной панели поступает в устройство управления шаговым искателем, реле перевода которого включается на самоблокировку. Одновременно блокируется отработка кадров путем отключения промежуточных реле. Происходит ускоренная установка начального кадра программы.
Пути совершенствования цикловых СПУ. Практика эксплуатации системы показала, что основные направления совершенствования ее конструкции заключаются в увеличении надежности вводного устройства, обеспечения действенного контроля положения подвижных органов в условиях производственных помех, уменьшении габаритов благодаря использованию в качестве элементной базы интегральных микросхем. Надежность вводного устройства ограничена из-за использования электромеханического контакта 260
В цепи записи и считывания программы. В условиях вибрации и воздействия влажной окружающей среды число отказов на этой причине возрастает. Действенность контроля положения подвижных органов увеличивается при использовании двух независимых датчиков положения по каждой координате. При этом отработка очередного кадра возможна только при совпадении сигналов от программы и соответствующего датчика положения. В описанной системе сигнал на отработку очередного кадра формируется в любом статическом положении подвижных органов манипулятора. В производственных условиях из-за нестабильности электрической и пневматической сетей может произойти задержка подвижных органов, которая будет воспринята системой как ложное статическое положение.
При разработке специализированной цикловой системы УПУ ЦМ для управления ПР «Ритм», работающим в условиях штамповочного производства, указанные выше требования к конструкции системы учтены. Техническая характеристика системы УПУ ПМ приведена в табл. 2.1.
Конструктивно система выполнена в виде напольного шкафа с выносным пультом, который связан с манипулятором посредством кабелей. Предварительный набор программы осуществляется на диодной матрице путем ее распайки. Применение диодной матрицы позволило повысить надежность считывания и хранения программы по сравнению со штекерной панелью и организовать библиотеку программ путем их смены. Структура кадра показана на рис. 5.31.
Информация
Номер положения по I—HI координатам
Номер положения по IV—VI координатам
Координата VII
Пря- 1 Ремо вере
Разряды
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
Код
Двоичный
Двоичный
Унитарный
Информация
Схват 1
Схват 2
Технологические команды
Конец программы
Зажим
Разжим
Зажнм
Разжим
Разряды
11
12
13
14
15 16 17
18
Код
Унитарный
Двоичный
Унитарный
Рис. 5.31. Структура кадра системы УПУ-ЦМ
Рис. 5.32. Функциональная схема системы УПУ-ЦМ
Программирование перемещения подвижных органов осуще. ствляется путем задания номеров положений схватов левой и правой рук из числа их возможных положений в пространстве. Положение схвата каждой руки определяется положением трех координат, из которых две являются транспортирующими и одна — ориентирующей. Таким образом число возможных положений схвата каждой руки составляет 8 (включая исходное). Предложенный способ программирования сокращает потребную емкость программоносителя по сравнению с позиционным способом программирования положения каждой координаты. Номер пози ции схвата кодируется в двоичном коде. Кроме того, имеется воз можность запрограммировать сдвиг обеих рук по координате VII Программирование сдвига осуществляется путем набора коман, «Прямо» и «Реверс».
Управление схватами правой и левой рук — раздельное путех набора команд «Зажим» или «Разжим». В кадре возможно программирование технологических команд путем набора номера команды в двоичном'коде.
Исполнение всех команд, записанных в кадре, параллельное. Контроль исполнения перемещения транспортирующих координат осуществляется по датчикам положения, ориентирующих коорди- нат/схвата — по времени. Исполнение технологических команд контролируется датчиками, установленными на обслуживаемом оборудовании. В конце программы набирается команда «Конец 262
Программы». При этом осуществляется установка начального кадра программы. Функциональная схема системы приведена на рис. 5.32.
Система может работать в трех режимах: наладочном, шаговом и автоматическом. Переключение режимов осуществляется оператором с пульта управления ПУ. В режиме «наладка» обеспечивается управление подвижными органами манипулятора; контроль состояния датчиков положения; выбор и установка необходимого кадра программы.
Управление подвижными органами манипулятора осуществляется с пульта обучения ПО путем замыкания двухпозиционных переключателей. Сигналы управления поступают на входы предварительных усилителей ПУ1, которые управляют выходными ключами ВК, собранными на оптронных тиристорах. Ключи управляют электромагнитами пневмораспределителей. Контроль состояния датчиков осуществляется путем последовательного подключения их выходов с помощью переключателя к сигнальной лампе, установленной в пульте обучения. Лампа загорается, если датчик исправлен и подвижный орган манипулятора находится в соответствующем положении.
Установка необходимого кадра обеспечивается преднабором его номера в двоично-десятичном коде на переключателе ПК, установленном на пульте управления. При этом происходит запись этого числа в счетчик кадров СК и его индикация на табло индикатора номера кадра ИН. Считывание кадра и его отработка блокированы отсутствием стробирующего импульса. В шаговом режиме обеспечивается отработка одного кадра программы. При переключении в шаговый режим сигнал с пульта управления поступает в формирователь стробирующих импульсов ФС и производит соответствующую установку его элементов.
При нажатии кнопки «Пуск» на выход формирователя ФС поступает стробирующий импульс. Происходит считывание установленного кадра с программоносителя ПР.
Считанные команды поступают на входы согласующих усилителей УС1—УС6. На входах усилителей УС1 и УС2 включены дешифраторы Деш1 и Деш2, которые преобразуют двоично-кодированные номера положений схвата правой и левой руки в циклический шестиразрядный код для управления подвижными координатами манипулятора. К выходам усилителя УС5 подключен дешифратор ДешЗ для преобразования двоичного кода номера технологической команды в унитарный код. Сигналы с предварительных усилителей и дешифраторов поступают на вход системы совпадения СПб, которая разрешает их исполнение, так как в шаговом режиме на второй ее вход не поступает стробирующий импульс.
Сигналы управления электромагнитами манипулятора и электроавтоматикой обслуживаемого оборудования после предварительного усиления в устройствах ПУ1 и ПУ2 включают соответственно выходные ключи В К и реле технологических команд РТК- 263
Для формирования сигнала окончания отработки кадра контролируется положение подвижных органов манипулятора и исполнение технологических команд.
Положение транспортирующих координат правой руки, левой руки и их сдвиг контролируются датчиками положения ДП. Исполнение технологических команд контролируется датчиками ДТК. Разрешающие сигналы на выходах схем совпадений СП1, СП2, СПЗ формируются при совпадении сигналов управления подвижными органами с сигналами соответствующих датчиков. Разрешающий сигнал на выходе схемы совпадения СП5 формируется при совпадении сигнала управления электроавтоматикой обслуживаемого оборудования с сигналом датчика, контролирующего его исполнение. При отсутствии в кадре информации о положении схвата правой и левой рук или сдвига рук соответствующие подвижные органы остаются в положениях, которые были запрограммированы ранее. В этом случае правильность их положения датчиками не контролируется, а разрешающие сигналы на смену кадра поступают с выходов инверторов ИНД ИН2 пли ИНЗ. При отсутствии в кадре технологических команд сигнал на смену кадра поступает с выхода инвертора ИН4.
Исполнение всех команд, запрограммированных в кадре, контролируют схемой совпадения СП4, на вход которой кроме указанных разрешающих сигналов на смену кадра поступают сигналы устройств задания времени ЭВВ1 и ЭВВ2, в которых задаются с пульта управления интервалы времени тт и т2, необходимые для отработки ориентирующих движений и схвата. После считывания кадра через заданный промежуток времени на выход указанных устройств поступают разрешающие сигналы на смену кадра. При наличии на входах схемы совпадения СП4 всех разрешающих сигналов на ее выход поступает сигнал окончания отработки кадра, который формируется в устройстве ФК и поступает на вход счетчика кадров СК и устройство формирования стробирующего импульса ФС. Содержимое счетчика увеличивается на единицу и поступает на дешифратор кадров ЦК. Однако считывания очередного кадра в шаговом режиме не происходит, так как сигнал с дешифратора кадров блокирован из-за отсутствия стробирующего импульса.
Для выполнения автоматического режиме оператор с пульта управления переключает устройство ФС в циклический режим. В автоматическом режиме по сигналу окончания отработки кадра устройство формирует стробирующий импульс; происходит считывание очередного кадра и его отработка.
В последнем кадре программы набирается команда «Конец программы», которая осуществляет сброс счетчика кадров.
Глава KJ
ОСНОВЫ ПРОЕКТИРОВАНИЯ
И РАСЧЕТА ПРОМЫШЛЕННЫХ РОБОТОВ с цикловой СПУ И ПНЕВМОПРИВОДОМ
6.1. ОБОСНОВАНИЕ И ВЫБОР ОСНОВНЫХ ПАРАМЕТРОВ ПРОМЫШЛЕННЫХ РОБОТОВ С ЦИКЛОВОЙ СПУ
Вопросам проектирования ПР за последние годы уделяется достаточное внимание. Подход к проектированию ПР должен быть комплексным и включать гамму технико-экономических исследований роботизируемого производства с учетом его специфических особенностей. В настоящей главе рассматриваются вопросы проектирования и расчета роботов моделей «Циклон» и «Ритм», основное назначение которых автоматизация технологических процессов холодной листовой штамповки заготовок массой до 10 кг.
Холодная штамповка занимает все возрастающую долю в ряде важных отраслей народного хозяйства. Одним из прогрессивных направлений современного развития этого вида производства является механизация и автоматизация процессов штамповки. Это направление связано с учетом серийности и конкретных условий данного производства. Вопросы автоматизации холодноштамповочного производства в условиях массового, крупносерийного и частично серийного производств решают с помощью традиционных средств и способов штамповки, позволяющих обеспечить необходимую производительность технологического оборудования при наименьшей себестоимости изготовляемых деталей.
Для мелкосерийного и частично серийного листоштамповочного производств, характерных для многих предприятий различных отраслей, ПР с обоснованными техническими характеристиками являются тем универсальным средством автоматизации, которое позволяет создавать эффективные быстропереналаживаемые полуавтоматические и автоматические линии. Для листоштамповочного производства характерна упрощенная кинематика перемещения заготовок или полуфабрикатов в сочетании с требованиями рационального использования высокой производительности прессового оборудования при достаточно точной установке объектов обработки в штамп. Эти особенности позволяют при построении РТК рекомендовать манипуляторы с ограниченным числом степеней подвижности и программированием величин перемещений рабочего органа манипулятора по всем координатам с помощью жестких переналаживаемых упоров. Это приводит к целесообразности применения для управления манипуляторов цикловой системы.
Предпочтительное по сравнению с другими типами применение пневмопривода в манипуляторах ПР малой грузоподъемности доказано на примерах отечественных и зарубежных разработок в области робототехники f45, 4].
Анализ листоштамповочного производства в ряде отраслей с учетом накопленного опыта по автоматизации этого вида производства на основе некоторых зарубежных моделей позволяет наметить конструктивное исполнение и некоторые технические характеристики создаваемых отечественных ПР.
Кинематическая схема манипулятора может быть ограничена наличием трех транспортных степеней подвижности, включающих поворот руки относительно вертикальной оси манипулятора, вертикальное перемещение руки вдоль этой оси и перемещений схвата вдоль горизонтальной оси руки. Поворот руки относительно вертикальной оси манипулятора может быть заменен на ее сдвиг вдоль фронтальной плоскости пресса. Применяемые в манипуляторах конструкции рук, не предусматривающие горизонтального перемещения схвата, ограничивают область применения ПР, так как этим накладывают ограничительные требования к штамповой оснастке. Например, штампы не должны иметь передних колонок, что приводит к ограничению номенклатуры заготовок. Но, с другой стороны, наблюдается выигрыш по производительности. Специфика этого вида производства привела к созданию модификации руки без горизонтального хода схвата. Число ориентирующих степеней подвижности, предусматриваемое в манипуляторе, ограничено поворотом схвата вокруг горизонтальной оси руки. Для осуществления поворотов схватов двух рук желательно предусматривать их автономное управление.
С точки зрения обеспечения требуемой производительности РТК на базе одного пресса и одного ПР наиболее эффективным является исполнение манипулятора с двумя руками при наличии двух опорных точек при повороте рук вокруг вертикальной оси. При применении манипулятора с одной рукой и двумя опорными точками по повороту съем полуфабриката из штампа должен осуществляться специальными устройствами, управляемыми от СПУ ПР. В некоторых случаях операцию по съему полуфабриката из штампа выполняет этот же ПР. При этом наблюдается потеря производительности, а для построения линии требуется три опорных точки по повороту. Схема РТК холодной листовой штамповки может предусматривать на одну единицу прессового оборудования применение двух ПР, каждый манипулятор которого имеет одну руку и две опорные точки по повороту. В этом случае один ПР осуществляет операции по загрузке объектов обработки, второй — по их съему из штампа, благодаря чему увеличивается стоимость РТК за счет применения дополнительного числа ПР.
Точность позиционирования схвата манипулятора при отработке величин перемещений по каждой из координат по жестким упорам зависит от места расположения упоров в кинематической 266
цепи, жесткости конструкции, наличия люфтов в элементах конструкции, расположенных между упорами и схватом. Опыт показывает, что в ПР меньшей грузоподъемности точность позиционирования выше. Как правило, для ПР с цикловой СПУ она находится в пределах 0,05—0,5 мм. Таким образом, в зависимости от степени универсальности ПР с цикловой СПУ, предназначенного для автоматизации технологических процессов холодной листовой! штамповки, описанные выше технические характеристики могут в некоторой степени различаться.
Следует отметить, что некоторое увеличение технологических возможностей ПР расширяет область его применения и позволяет эффективно автоматизировать на его основе не только технологические процессы холодной листовой штамповки на целом ряде типов и типоразмеров листоштамповочного оборудования, но и применять их при автоматизации других видов производств. При этом допускаемая избыточность возможностей ПР не должна отражаться на их быстродействии. При решении вопроса о степени универсальности разрабатываемой модели ПР должна учитываться потребность в таких роботах для автоматизации одного или ряда видов производств при параллельном расчете экономической эффективности. Учитываются затраты по разработке, освоению серийного производства, внедрению, эксплуатации ПР, а также эффект от их применения.
Некоторое усложнение конструкции ПР вследствие более высокой степени универсальности увеличивает трудоемкость его изготовления и стоимость, что, в свою очередь, должно компенсироваться ростом экономической эффективности. Для этого необходимо стремиться, чтобы усложнение конструкции не отражалось на уменьшении скоростных параметров ПР, увеличении габаритных размеров, снижении надежности и эксплуатационных качеств. Можно привести несколько примеров из практики создания роботов типа «Циклон» и «Ритм». Робот «Циклон-ЗБ» предназначен для автоматизации листоштамповочного производства, но заложенное в его конструкцию повышенное число опорных точек при повороте рук вокруг вертикальной оси манипулятора позволило эффективно использовать эту модель при создании РТЦ механической обработки с использованием двух токарных станков. При этом конструктивное решение по обеспечению повышенного числа опорных точек явилось одним из способов достижения более высоких скоростей поворота рук. Указанный способ описан ниже.
Робот «Циклон-5.02» является модификацией базовой модели. Его отличительная особенность — дополнительный механизм поперечного сдвига манипулятора, который выполнен в виде самостоятельного модуля. Такое решение позволило использовать модификацию робота «Циклон-5.01» в РТК с машиной литья под давлением. Модуль сдвига в роботе «Ритм-01.01» позволяет использовать эту машину на операциях механической обработки. Дополнительная рука (при отсутствии модуля сдвига) в роботе 267
«Ритм-01.02» позволит эффективно применить эту машину в листоштамповочном производстве.
Наибольшую трудность при разработке ПР для автоматизации листоштамповочного производства представляло обоснование размерных (величин перемещений схвата манипулятора по каждой из координат, габаритных размеров манипулятора, наибольшего и наименьшего радиусов рабочей зоны) и скоростных параметров.
Многие модели отечественных ПР для автоматизации технологических процессов холодной листовой штамповки при идентичных показателях грузоподъемности и близких по значению размерных характеристиках имеют значительные расхождения по габаритным размерам и массе манипуляторов, скоростным параметрам, эксплуатационным качествам, трудоемкости изготовления и т. д. Частично это объясняется отсутствием методических рекомендаций по обоснованию рационального быстродействия ПР, обеспечивающих необходимую производительность в условиях мелкосерийного и частично серийного листоштамповочного производства. Решение указанной задачи позволило также наметить отраслевой размерный ряд ПР с цикловой СПУ и пневмоприводом.
Размерные характеристики манипулятора определяют исходя из рациональной взаимосвязи с прессовым оборудованием. Вводятся следующие обозначения размерных характеристик манипуляторов: Р — радиус рабочей зоны; Л — горизонтальный ход руки; Н — вертикальный ход руки; а — угол поворота руки вокруг вертикальной оси манипулятора; П — горизонтальное перемещение руки вдоль фронтальной плоскости пресса.
Размерные характеристики манипулятора находятся в функциональной зависимости от типа и типоразмера пресса, выбор которого по технологическому усилию и размерам стола определяется характером выполняемой операции, размерами и массой заготовки. Методика этого выбора общеизвестна [39]. Характеристики заготовки влияют на габаритные размеры и конструктивное исполнение как ПР, так и вспомогательного технологического оборудования (ВТО), расположение которых в РТК определяется из условий удобства обслуживания его составных частей.
Рациональная планировка РТК по сравнению с организацией рабочего места человека имеет свои специфические особенности.
Доступ наладчика к прессу для настройки оборудования, смены штамповой оснастки при переходе на другую операцию или заготовку осуществляется при применении легких и средних ПР перемещением манипулятора из зоны обслуживания пресса, сочетающимся с возможностью его быстрой установки в исходное положение. Для сверхлегких ПР, ввиду малых габаритных размеров манипулятора, можно не предусматривать в РТК наличие такой зоны.
На рис. 6.1 показана схема РТК типа «роботизированная позиция» холодной листовой штамповки с применением манипуляторов роботов малой грузоподъемности с одной и двумя руками. Разме- 268
бет £/бет £/рие. 6.1. Схема РТК холодной листовой штамповки с применением манипуляторов ПР мод. «Циклон»: а — манипулятор с одной рукой; б — манипулятор с двумя руками
бет £/
бет £/
номенклатуры заготовок без огра-номенклатуры заготовок без огра-ром К ограничена постоянная свободная зона, предназначенная для проведения подрегулировочных работ и устранения мелких неисправностей оборудования. При постоянных значениях размеров К, , Е иг размерные характеристики R*_A и а манипулятора зависят'от габаритных размеров заготовки и стола пресса (рис. 6.1). Уменьшение горизонтального хода Л руки приводит к ограничению технологических возможностей робота при обрабс ничений по габаритным размерам. Величины полученных размерных характеристик входят в зависимости по определению производительности РТК, которая определяется количеством готовой продукции, выдаваемой за единицу времени. При последовательном построении роботизированной линии из отдельных роботизированных позиций, при делении технологического процесса на отдельные последовательно выполняемые операции холодной листовой штамповки необходимо стремиться к тому, чтобы длительность каждой из них была одинаковой. В противном случае продолжительность технологического цикла будет определяться роботизированной позицией с наиболее длительным временем выполнения операции. Производительность РТК можно представить в виде теоретической Йт и действительной Лд. Теоретическая производительность РТК. определяется количеством готовой продукции, которую мог бы выдавать РТК за единицу времени без учета внецикловых потерь. Действительная производительность РТК учитывает внецикловые потери, зависящие не только от условий организации производства, но и от надежности работы составных частей РТК-
номенклатуры заготовок без огра-
номенклатуры заготовок без огра-
Повышение действительной производительности РТК может быть достигнуто за счет уменьшения времени цикловых потерь, т. е. увеличения быстродействия ПР, а также за счет повышения надежности и улучшения условий организации производства. Увеличение времени внецикловых потерь в РТК, связанное с необходимостью проведения организационно-технического обслужи- 269
Ьаййя дополнительного оборудования, должно учитываться коэффициентом быстродействия робота К^.
Кроме того, быстродействие ПР должно обеспечивать повышение производительности, которое является одним из факторов, определяющих заданный экономический эффект. Поэтому вводится суммарный коэффициент быстродействия ПР—К'б.
Из опыта эксплуатации первых опытных партий робота «Цик- лон-ЗБ» получены значения этого коэффициента, находящиеся в пределах 1,1 —1,3.
Коэффн цн ент бы стр од ейств и я
у tlxn4iКб = ^>1,\/ р.
п
где У 4^4,. — время цикловых потерь или суммарное вспомога- тельное время на Ре число приемов или микроэлементов движений человека при выполнении технологической операции; У ^Р/ — суммарное вспомогательное время на t-е число перемещений рабочего органа манипулятора при выполнении аналогичной с человеком технологической операции.
Средняя технологическая скорость рабочего органа манипулятора по каждой из координат является основным фактором, определяющим быстродействие ПР. Она определяется из условия выполнения схватом заданного перемещения с учетом промежутка времени до начала следующего движения. Перемещение схвата осуществляется по каждой из координат исполнительными механизмами манипулятора, управляемыми от СПУ. Средние технологические скорости определяются конструкцией исполнительных механизмов, типом, видом и мощностью приводов, типом и исполнением СПУ. С одной стороны, скоростные параметры должны обеспечить минимальное время транспортирования объекта обработки между составными частями РТК с плавным подходом к месту позиционирования и обеспечением его установки с заданной точностью. С другой стороны, при требуемых значениях скоростей должны быть соблюдены условия компактности, удобства обслуживания и надежности работы ПР, а также выдержаны минимальные габаритные размеры манипулятора и СПУ. Для обоснования значений средних технологических скоростей схвата манипулятора проводится сопоставление суммарного времени на целевые приемы или микроэлементы трудовых движений человека с суммарным временем на совокупность перемещений схвата манипулятора при выполнении аналогичной операции.
Определение норм вспомогательного времени на целевые приемы для выполнения операции холодной листовой штамповки 270
рис. 6.2. Зависимости суммарного вспомогательного времени от массы объекта обработки при выполнении человеком операции холодной листовой штамповки: / — на основе общемашиностронтельных нормативов; 2 — на основе микроэлемент- ных нормативов
человеком проводится по общемашиностроительным нормативам времени на холодную штам
повку. При этом учитываются
факторы, влияющие на продолжительность их выполнения. К ним относятся тип производства, вид технологического оборудования, условия выполнения работы, размеры и материал заготовки и т. п. При оценке вспомогательного времени в условиях мелкосерийного производства использованы укрупненные статистические данные, включающие зависимости наибольших масс при наибольших габаритных размерах заготовок от видов, типов и типоразмеров листоштамповочного оборудования, применяемого в отрасли. Поэтому в последующих зависимостях указание значения массы соответствует наибольшим габаритным размерам заготовок, а также виду, типу и типоразмеру выбранного прессового обору-
дования.
При расчете суммарного времени микроэлементов трудовых движений человека и сравнительном анализе отдельных микроэлементов используют таблицы нормативов одной из выбранных систем микроэлементного нормирования.
Система определения метода и продолжительности работы МТМ — это способ анализа ручной операции или приема путем расчленения его на необходимые основные движения и подбора для каждого движения микроэлементного норматива времени, соответствующего характеру движения и условиям его выполнения [32]. Продолжительность каждого основного движения зависит не только от его физических характеристик, по и от условий выполнения. Эта система выбрана для проведения сопоставлений в рассматриваемом случае. Такой методический подход позволил определить не только быстродействие ПР в целом, но и приблизительно оценить необходимые значения средних технологических скоростей схвата манипулятора при его перемещении по каждой координате.
На рис. 6.2 показаны зависимости, отражающие изменение суммарного вспомогательного времени на целевые приемы и микроэлементы перемещений при выполнении человеком конкретной операции от массы объекта обработки.
При расчете норм вспомогательного времени на микроэлементы движений человека были приняты следующие допущения.
Рассматриваются однокривошипные двухстоечные открытые прессы простого действия с диапазоном технологических усилий от 24,5-104 до 24,5 ■ 105 Н.
Организация рабочего места предполагает рациональную расстановку основного и вспомогательного технологического оборудования, обеспечивающего выполнение всех микроэлементов движений рабочего с минимальной затратой времени.
Рассматривается работа с заготовками наибольших масс и размеров, соответствующих определенным типоразмерам прессов.
При работе на прессах усилиями до 24,5-104 Н отсутствуют микроэлементы «повернуть корпус» (положение рабочего — «сидя») и вводится микроэлемент «передать заготовку из одной руки в другую».
При работе на прессе усилием 39,2-104 Н микроэлемент «повернуть корпус» совмещается с началом движения рук рабочего.
Относительно небольшие расхождения суммарного вспомогательного времени, рассчитанного по общемашиностроительным нормативам на холодную штамповку и нормативам системы МТМ, показывают, что для сравнительной оценки с быстродействием ПР можно пользоваться данными вспомогательного времени, рассчитанного на основе микроэлементных нормативов системы МТМ. При этом появляется возможность сопоставлений как кинематики движений, так и отдельных перемещений человека и схвата ПР по скоростным и ряду размерных параметров.
Методические рекомендации по расчету производительности РТК холодной листовой штамповки включают принцип расчленения рабочего цикла на приемы и отдельные рабочие движения ПР, которые анализируются с учетом величины нагрузок и перемещений.
Время выполнения каждого из рабочих движений ПР зависит от величины перемещений, определяемых с учетом рациональной взаимосвязи ПР с основным и вспомогательным технологическим оборудованием в составе РТК холодной листовой штамповки, и средней технологической скорости перемещения. По суммарной величине времени выполнения всех рабочих движений ПР можно судить о теоретической производительности РТК и сопоставлять ее с производительностью участка холодной листовой штамповки с применением ручного труда.
Расчет производительности РТК проводят при допущении о перекрытии времени срабатывания автоматизированного вспомогательного оборудования временем выполнения, движений ПР. Основное (машинное) время в сравниваемых вариантах можно не учитывать, так как оно имеет одинаковое значение. Такой подход позволяет оценить значения средних технологических скоростей схвата манипулятора по каждой из координат.
В качестве примера рассмотрена роботизированная позиция (рис. 6.1, б). С одной стороны, такая схема построения РТК'нашла широкое применение при организации роботизированных позиций, участков, линий на многих отечественных заводах, с другой, она охватывает всю совокупность транспортных перемещений схвата 272
Форма для сопоставления перемещений робота и человека при выполнении аналогичных операций холодной листовой
штамповки
2
£ о
о сС и s к Н о <
Перемещения схвата ПР
ф
К к о s Я S
К 2
Целевые трудовые приемы человека
Перемещения человека
К 2
<D _
§ 3
Е 3
£ м
Си
Повернутьруки
(4-1) Протянуть правую руку к детали Опустить руки Взять заготовку и деталь Поднять руки Втянуть правую руку
Повернуть руки (1— 4)
а4"1
^пв
Н
Y
Нт R™
а1"4
Разгрузить подающее устройство
Повернуть корпус
Протянуть руку к заготовке
Взять заготовку
Отвести руку с заготовкой
Повернуть корпус вправо
ТВС
R
G
М
ТВС
Е
Протянуть левую руку с заготовкой в рабочую зону штампа
пЛВ ^ т
Загрузить штамп
Ввести руку с заготовкой в рабочую зону штампа
м
а
S
о m
=s
Опустить руки Разжать заготовку и деталь
Поднять руки
Втянуть левую руку
Нт Y
н
R1™
Установить заготовку в штамп
Отвести руки из рабочей зоны штампа
р
R
3" S
о Е
S
Разгрузить штамп
Протянуть руку к детали
Взять деталь
Отвести руку с деталью
Р
м
m
Загрузить приемное устройство
Повернуть корпус Протянуть руку с деталью к таре Разжать пальцы
ТВС м
RL
нне опорных точек при повороте.
манипулятора при взаимодействии с основным и вспомогательным оборудованием.
В табл. 6.1 приведена форма, позволяющая провести сопоставление РТК и участка холодной листовой штамповки с применением ручного труда ио быстродействию как по целевым приемам, так и ио отдельным перемещениям ПР и человека.
Программа технологического цикла, на основании которой построена табл. 6.1, предусматривает работу робота «Циклон-ЗБ» с двумя руками при выполнении на РТК целевых приемов: «разгрузить подающее устройство», «загрузить штамп», «разгрузить штамп», «загрузить приемное устройство». При выполнении указанных приемов ПР осуществляет перемещения: «повернуть», «поднять», «опустить», «протянуть», «втянуть», «взять», «разжать». Все перемещения имеют символические обозначения.
Оперируя различными вариантами сопоставлений движений человека и перемещений ПР при заданном коэффициенте быстродействия Кб и известных данных по схеме РТК, массе и габаритным размерам объекта обработки, характеристике прессового оборудования, размерным параметрам ПР можно получить несколько вариантов значений средних технологических скоростей схвата манипулятора по каждой из координат, обеспечивающих заданное быстродействие ПР.
Апробация методических рекомендаций проведена на опытном образце робота «Циклон-ЗБ». Установлено, что при работе с максимальными по техническим условиям на ПР массами переносимого груза, при исполнении манипулятора с двумя руками и коэффициенте Кб :z=: 1 суммарное время перемещений схвата больше суммарного вспомогательного времени, затрачиваемого человеком при выполнении аналогичной операции.
Для анализа производительности РТК на всем выбранном диапазоне изменения масс объектов обработки необходимы исследования зависимости средних технологических скоростей схвата манипулятора от изменяющихся в соответствующем интервале величин перемещений и масс переносимого груза. Поэтому появилась необходимость в проведении исследований опытного образца робота «Циклон-ЗБ» не только с целью разработки решений, направленных на достижение необходимого быстродействия, но и с целью оценки влияния на быстродействие приводов изменяющихся размерных и нагрузочных параметров, а также вариантов исполнения манипулятора по числу устанавливаемых рук.
ИССЛЕДОВАНИЯ ПРИВОДОВ ИСПОЛНИТЕЛЬНЫХ МЕХАНИЗМОВ ПР С ЦИКЛОВОЙ СИСТЕМОЙ ПРОГРАММНОГО УПРАВЛЕНИЯ
Теоретические предпосылки и особенности проведения исследований. Экспериментально-теоретические исследования приводов исполнительных механизмов ПР являются одним из необхо^ 274
ДимЫХ Зтапбв при решений Задачи создания рациональной конструкции.
Несмотря на то, что в настоящем разделе рассматривается частный случай, выводы, полученные по результатам исследований приводов основных механизмов робота «Циклон-ЗБ», могут быть положены в основу методических рекомендаций по проектированию манипуляторов ПР с пневмоприводом.
Одним из важных показателей, определяющих эффективность применения ПР в листоштамповочном производстве, является его быстродействие.
Быстродействие ПР в значительной мере зависит от времени срабатывания приводов основных исполнительных механизмов манипулятора. В манипуляторе робота «Циклон-ЗБ» такими механизмами являются рука и выполненный в виде единого модуля «механизм подъема и поворота руки». Они построены на использовании пневмо- и пневмогидроцилиндров. Для разработки мероприятий по повышению их быстродействия проведен комплекс экспериментально-теоретических исследований приводов манипулятора с анализом времени цикла по каждому из них. Такой подход позволил выбрать наиболее рациональные решения по повышению быстродействия приводов при сохранении габаритов манипулятора.
Расчет пневмопривода является относительно сложной задачей. Институтом машиноведения АН СССР им. А. А. Благонравова разработаны методы расчета типовых пневматических приводов, которые позволяют осуществлять выбор параметров привода для выполнения заданного закона движения (динамический синтез) и проводить поверочные расчеты с целью определения закона движения, времени рабочего цикла, времени торможения, рабочего органа привода (динамический анализ). Однако разработанная методика не всегда удовлетворяет поставленным задачам. Например, при разработке пневмоприводов для манипуляторов ПР к ним предъявляют жесткие требования, обусловленные условиями работы, — необходимость обеспечения максимальных скоростей при минимальном времени цикла и плавной остановке в конце хода.
Проблемность выполнения этой задачи состоит в отсутствии простых и надежных методов расчета пневмоаппаратуры, трубопроводов, каналов в деталях и узлах привода. Приблизительная оценка сил сопротивлений также вносит свои отрицательные коррективы в расчет пневмопривода. Проведение поверочных расчетов предполагает решение системы дифференциальных нелинейных уравнений четвертого порядка с помощью численных методов интегрирования. Выполнение трудоемких расчетов при отсутствии точных значений параметров пропускных способностей рабочей п выхлопной магистралей, а также величины силы сопротивления, не всегда целесообразно ввиду очевидности получения лишь приблизительных результатов.
Рис. 6.3. Зависимость безразмерной эффективной пло- щади проходного сечения подводящей магистрали от безразмерной площади поршня
Кривая /23456
Коэффициент U , . оо 21,510,50,25
Для приблизительной оценки пневмопривода можно воспользоваться расчетными графиками или приближенными формулами [9, 101.
Несмотря на указанные трудности, /4возникающие при расчете пневмоприво
дов, работающих в экстремальных усло- 5виях, разработанная методика по расчетам
^пневмопривода позволила с некоторым
запасом по нагрузке определить параметры приводов исполнительных механизмов манипулятора опытного образца робота 1«Циклон-ЗБ» и на основе результатов
экспериментально-теоретических исследо- ^ваний разработать более рациональные
конструктивные решения, заложенные
в серийную модель ПР. Поэтому для каждой модели ПР должны предусматриваться экспериментальные исследования с целью определения опытных коэффициентов, входящих в расчетные зависимости, а также для подтверждения разработанных методов расчета. Методы динамического синтеза предусматривают определение минимальной эффективной площади проходного сечения подводящей магистрали р и минимальной рабочей площади F торца поршня при заданных быстродействии и результирующей силе сопротивления Р.
При этом необходимо предположительно задаться величиной Q = f^f, где й— коэффициент пропускной способности; /в— эффективная площадь проходного сечения выхлопной магистрали.
При проектном расчете коэффициент И рассматривается как безразмерная эффективная площадь проходного сечения выхлопной магистрали. Количественные соотношения между /э, /в и F для установившегося движения поршня определяются безразмерными зависимостями, показанными на рис. 6.3 [101. На графиках приняты следующие обозначения: U,j — безразмерная эффективная площадь проходного сечения подводящей линии; 1/%— безразмерная рабочая площадь торца поршня (эффективная площадь торца). Формулы для их определения:
Uy^fXp Ml — Fa^ a1H = -p^-\ а2 = рм/Р,
где aVu и а2 — коэффициенты пропорциональности, определяемые из начальных условий; рм — магистральное давление сжатого воздуха; Р — сила сопротивления, приложенная к поршню;
276
t>cp — средняя скорость поршня; К' — коэффициент, зависящий от ускорения силы тяжести, показателя адиабаты, абсолютной температуры сжимаемого воздуха и газовой постоянной.
Рекомендации по выбору значений К' даны в работе [10]. Как видно из графика (рис. 6.3), область минимальных значений Ку = Кут1п реализуется при 1/у в пределах 1,35—2,2.
Для проектирования привода, нечувствительного к колебаниям нагрузок Р и магистрального давления рм, значения 1/% выбирают на правой стороне кривых. В этом случае привод будет несколько недогружен, но по отношению к колебаниям нагрузок и давлений становится менее чувствителен.
При динамическом синтезе возникают определенные трудности при правильной оценке значений Р, й. Кроме того, при разработке конструкции пневмопривода необходимо правильно оценить значения отдельных пневмосопротивлений (трубопроводов, распределительной аппаратуры, деталей и узлов с каналами для прохода сжатого воздуха), которые в совокупности должны обеспечивать полученную оптимальную величину /3. Переоценка этих значений приводит к увеличению габаритных размеров конструкции, недооценка может вызвать уменьшенное от заданного быстродействие привода.
Справочные материалы содержат значения р или коэффициента расхода и для некоторых типов распределительной и трубопроводной арматуры. Имеется ряд способов определения коэффициентов расхода, которые связаны с необходимостью создания специальных стендов. Одной из составляющих результирующей силы сопротивления Р является сила трения в уплотнениях поршня и штока, определение истинного значения которой затруднено. Величина этой силы зависит не только от диаметра поршня, числа и качества уплотнений, но и от изменяющейся за время рабочего цикла скорости поршня. Выбор значения & необходимо обосновывать в каждом отдельном случае.
Применяемые методы для проведения поверочного расчета построены на использовании уравнения движения поршня (6.3) и уравнений (6.1), (6.2), характеризующих процессы наполнения и опорожнения соответствующих полостей цилиндра. Их совместное решение позволяет определить величины перемещения, скорости и ускорения поршня как функции времени.
Полная система уравнений в безразмерной форме для решения задачи движения поршня до момента начала торможения методом численного интегрирования имеет вид
И <6”
3/г—1
где X — безразмерная величина нагрузки; Q — коэффициент про» пускной способности; N — безразмерный конструктивный параметр; £о, £ов — безразмерные величины начальных объемов полостей соответственно наполнения и опорожнения пневмоцилиндра; П^д — отношение площадей торцов поршня со стороны рабочей 1 и выхлопной 2 полостей; аа — безразмерная величина атмосферного давления; £, а, ав, т — безразмерные переменные по перемещению, давлению в полостях наполнения и опорожнения пневмоцилиндра и времени перемещения поршня.
Одним из способов, обеспечивающих достижение поставленных задач по увеличению быстродействия пневмопривода, является проведение экспериментально-теоретических исследований натурных образцов исполнительных механизмов манипулятора. Исследуем примененный в одном из исполнительных механизмов робота «Циклон-ЗБ» пневмогидравлический привод.
Выбор такого вида привода вызван конструктивными соображениями, связанными, с одной стороны, стремлением конструктора при значительных инерционных нагрузках получить равномерное и устойчивое перемещение схвата манипулятора, с другой — использовать гидравлический поток для формирования управляемого и регулируемого тормозного эффекта. Анализ и расчет конструкции гидросистемы механизма поворота показал, что при угловых скоростях поворота руки до 3,837 рад/с на всем диапазоне изменения скорости поршня на прямых участках каналов имеет место ламинарный режим истечения жидкости (Re < 2300).
Турбулентные режимы, возникающие на коротких участках каналов, непосредственно примыкающих к сечениям с местными сопротивлениями, быстро меняются на ламинарные. Поэтому закон движения поршня пневмогидравлического механизма поворота можно выразить уравнением Рикатти, справедливым для ламинарного истечения жидкости,
Fпир dt 2Fпир dt 2F пF плF пF пл,в с,в сРР(6.4)(6.4)
Fпир dt 2
Fпир dt 2
F пF пл
F пF пл
,в с
,в с
Р
Р
(6.4)
(6.4)
где Л1пр — приведенные к плунжеру масса жидкости гидросистемы и масса подвижных твердых звеньев манипулятора; Рпл — площадь плунжера гидроцилиндра; р — плотность масла; yILt— скорость поршня; рх и рх — соответственно движущие силы и силы сопротивления, отнесенные к площади поршня РТ1.
В этом уравнении почти все параметры относятся к плунжеру гидроцилиндра или приведены к нему. Суммарная величина всех потерь в гидросистеме выражена в уравнении (6.4) составляющей
22где а, b — приведенные коэффициенты мест-
2
2
ных ii распределенных сопротивлений. Коэффициенты а и b являются постоянными для данной конструкции до начала тормозного процесса.
278
При проектном расчете привода механизма поворота его быстродействие оценено приблизительно, так как значения М1И„ р®, Рх, « 11 Ь, используемые в уравнении (6.4), подсчитывались со значительными допущениями. Значительное влияние на быстродействие пневмогидравлического привода механизма поворота оказывает величина приведенной массы Л411Р. Величина Л4|гр при заданной конструкции механизма поворота определяется не только массой и скоростью поступательно-перемещающихся твердых звеньев и жидкости в гидросистеме, но и моментом инерции с учетом угловой скорости вращающихся твердых звеньев, имеющих ьращательное движение. Поэтому изменение значений Л4пр зависит от количества рук, массы груза, радиуса инерции рук, величина которого зависит от настраиваемого в пределах каждой программы радиуса рабочей зоны.
Отсюда следует, что проведение экспериментально-теоретических исследований пневмогидропривода механизма поворота с целью достижения необходимого быстродействия при уточненных параметрах Л4Пр, Рх, Рх, а и b является одним из решений поставленной задачи.
Специфические требования к работе исполнительных механизмов манипулятора приводят к необходимости создания эффективных методов торможения. Необходимость в плавном торможении псступательно-движущихся частей пневмопривода вызвана требованиями технологического процесса к точности установки объекта обработки на рабочую позицию основного или вспомогательного оборудования без смещения в схвате при транспортировке и требованиями конструкции, не допускающими значительных механических перегрузок от ударов, снижающих долговечность. Особенности пневмопривода исполнительных механизмов манипулятора заключаются в том, что в объеме заданной программы работы при одной настройке тормозного устройства должен обеспечиваться плавный подход как к крайним, так и к промежуточным точкам позиционирования при изменяющейся массе переносимого груза.
Каждая программа может предусматривать отличающиеся по величине перемещения исполнительного органа манипулятора по всем координатам, в связи с чем изменяются величины вредных объемов выхлопных полостей цилиндров, что накладывает ряд дополнительных требований к выбираемому виду тормозного устройства.
Ряд способов торможения пневмопривода заключается в скачкообразном изменении расхода воздуха из выхлопной полости в момент торможения. При этом давление в выхлопной полости цилиндра пневмопривода возрастает, а кинетическая энергия поступательно-движущихся частей пневмопривода переходит в работу сил сжатия воздуха в выхлопной полости, вследствие чего привод останавливается. Эта работа определяется количеством сжимаемого в выхлопной полости воздуха, степенью сжатия и 279
видом термодинамического процесса при сжатии воздуха. На этом принципе основана конструкция внутреннего тормозного устройства.
Внешние тормозные устройства (рука опытного образца робота «Циклон-ЗБ») часто выполняют в виде отдельных узлов со встроенными дросселями и обратными клапанами. Они являются составной частью подводящей и выхлопной магистралей пневмопривода вследствие чего снижаются их пропускные способности. Кроме того, при изменении в значительных пределах рабочего хода поршня изменяется и величина вредного объема выхлопной полости, что при заданной скорости приводит к различным величинам тормозного пути, обеспечивающего плавный подход к точке позиционирования.
На практике в особо ответственных случаях применяются гидравлические тормозные устройства, принцип работы которых заключается в дросселировании щели, через которую под воздействием сил, приложенных к поршню, перетекает жидкость из одной полости замкнутого объема в другую. Выбор параметров гидравлических тормозных устройств должен обеспечивать безударную остановку поршня в конце рабочего хода, минимальное время торможения, ограниченные ускорения в период торможения и постоянную настройку гидродемпфера при изменении приведенной массы и величины хода поршня [45, 25]. Рекомендации по выбору тормозных устройств для ПР на основе полученного опыта при их эксплуатации изложены в гл. 2.
Ниже приведены результаты экспериментальных исследований некоторых видов тормозных устройств, применяемых в ПР.
Исследования быстродействия приводов и реализации их результатов. Экспериментальные исследования проводились на опытном образце робота «Циклон-ЗБ». Для проверки решений по увеличению быстродействия приводов на манипулятор устанавливали модернизированные узлы. При этом с пневмо- и пневмогидроприводов исполнительных механизмов манипулятора были сняты осциллограммы перемещений и скоростей поршней, а также изменений давлений в рабочих и выхлопных полостях пневмоцилиндров. С пневмогидропривода механизма поворота дополнительно сняты осциллограммы изменения давлений в гидросистеме.
При снятии осциллограмм в качестве измерительной аппаратуры использовались малогабаритные датчики давления повышенной точности типа МД-ЮТ, МД-100Т, датчик перемещения — многооборотный потенциометр типа ППМЛ-М, датчик скорости — тахогенератор типа ТГП-3. Показания датчиков регистрировали на светолучевом осциллографе Н-105. Датчики двух последних типов имели характеристику, близкую к линейной.
Рациональная конструкция руки определяется ее массой и быстродействием пневмопривода с плавным торможением. Масса этого узла в большей степени определяет параметры приводов механизма подъема и поворота при заданном их быстродействии. 280
Конструктивные особенности пневмопривода руки, которые создают некоторые трудности при использовании методик для расчета типового двустороннего пневмопривода, заключаются в том, что шток пневмопривода является несущей конструкцией, штоковая полость пневмоцилиндра постоянно соединена с ресивером.
Первая особенность вытекает из требований получения компактного узла, что связано со стремлением разработчика разгрузить механизм подъема и поворота манипулятора. Вторая особенность вызвана стремлением повысить КПД пневмопривода данной конструкции за счет экономии энергии сжатого воздуха при опорожнении штоковой полости и обеспечить выравнивание скоростей поршня при его прямом и обратном ходах.
Быстродействие пневмопривода определяется, с одной стороны, пропускными способностями подводящей и выхлопной пневматических линий, с другой — диаметром поршня, характеризующим привод по нагрузочной способности. Структура подводящей и выхлопной пневмолиний выбирается параллельно с конструктивной проработкой манипулятора и входящих в него узлов с учетом получения компактной конструкции. Отдельные участки пневмолиний образуют продольные каналы и кольцевые выточки в деталях механизма подъема (см. рис. 2.4).
При разработке конструкции манипулятора оценка значений эффективных площадей проходных сечений пневмолиний /„р, /ш производилась предварительно по имеющимся методикам с использованием справочных данных по пропускным способностям типовой пневмораспределительной аппаратуры, закладываемой в манипулятор, и приближенного расчета пропускных способностей остальных пневмоэлементов. Индексы «п» и «ш» означают соответственно поршневую и штоковую полости пневмоцилиндра.
Предварительная оценка диаметра поршня D,, осуществлена исходя из конструктивных соображений.
Одним из параметров пневмопривода узла руки, определяющих минимальные граничные значения диаметра поршня, является диаметр штока (см. рис. 2.3). Его выбирают с учетом допускаемой величины прогиба штока при максимальном вылете и наибольшей массе перемещаемого груза, а также конструктивных особенностей этого узла, предполагающих размещение внутри полой части штока деталей механизма для передачи крутящего момента на схват руки и подвода сжатого воздуха к пневмоцилиндру зажима схвата.
С другой стороны, применение методов динамического синтеза (см. рис. 6.2) позволило оценить при выбранном значении диаметра поршня Dn = 0,06 м эффективные площади проходных сечений подводящих линий /„, /ш, обеспечивающих перемещение груза с заданными быстродействием (иср = 1 м/с) и нагрузкой Р.
5)
Рис. 6.4. Осциллограммы пневмопривода руки манипулятора ПР мод. «Циклон» без применения (я) и с применением (5) способов повышения быстродействия привода: S и uv — осциллограммы перемещения и скорости движения поршня при его прямом
и обратном ходах; р„ и р„.
осциллограммы изменения давлений в поршневой и
штоковой полостях цилиндра; /пд н /нд — соответственно время нарастания и падения давлений в поршневой полости цилиндра до начала трогания поршня с места; /в и П1 — соответственно время прямого и обратного ходов поршня без учета времени на в н в н„
торможение; рПу, Рцу* ^шу» Ршу “ установившиеся значения давлении в поршневой ов н
н штоковой полостях цилиндра; Uy, Uy — установившиеся значения скоростей поршня
Сравнительная оценка полученных значений показывает, что пневмопривод при движении поршня вперед недогружен (1/% = = 2,7); при полученных значениях /пР > /п и f^ > /ш быстродействие пневмопривода должно быть выше заданного, т. е. усР > > 1 м/с.
Установленные экспериментальным путем действительные значения скоростных параметров поршня пневмопривода руки опытного образца робота «Циклон-ЗБ» значительно ниже расчетных.
Исследования приводов опытного образца робота «Циклоп-ЗБ» явились тем необходимым этапом, проведение которого с использованием теоретических предпосылок, изложенных ранее, позволило найти рациональные решения для увеличения быстродействия манипулятора с сохранением его габаритных размеров.
На рис. 6.4 показаны осциллограммы пневмопривода руки робота^с использованием гидравлического устройства. Осциллограммы снимались при давлении сжатого воздуха — 49,03 X 282
X 104 Па в магистрали, массе перемещаемого груза 5 кг, диаметре поршня /)ц — 0,06 м и ходе поршня su = 0,57 м.
Время рабочего цикла Тц пневмопривода состоит из суммы интервалов времени прямого Тв и обратного Тн ходов поршня соответственно при перемещении поршня вперед и назад: ТЦ^ТВ + ТН; Г-4х+/нд + П^^ Г = &х + /£д + ^^ где /Вех, /тех — техническое время, условно включающее время прохождения электрического сигнала /э от датчика до электромагнита воздухораспределителя, время распространения воздушной волны /в и время срабатывания электромагнита воздухораспределителя /р.
Ввиду того, что времена 1У, tB и /р перекрывают друг друга, и в связи с малым значением /в можно условно считать, что значения /в и /р учтены /и. Тогда
^тех ^1^э, /тех “ О^э>
где ат и а2 — поправочные коэффициенты, учитывающие опережение срабатывания датчика до окончания хода поршня.
t3 и /3 — время опережения при ходе поршня соответственно вперед и назад; /техп с /0, /тех = /э при а = 1.
Оценка временных интервалов по осциллограмме показывает, что быстродействие пневмопривода может быть достигнуто за счет уменьшения значений составляющих /в и /н.
С учетом временных составляющих введем понятия средней иср и средней технологической уср. т скоростей поршня, учитывающих время выстоя поршня до начала следующего движения:
I Ср / + /т ’ Ср‘ Т / + /т + /пд ^тех
Некоторое уменьшение времени прямого и обратного ходов поршня с учетом времени его торможения достигается применением гидротормоза. Схемы пневмо- и гидроторможения (см. рис. 2.3) рассмотрены выше.
Из схемы пневмопривода руки с применением пневмотормоза видно, что пропускные способности подводящей и выхлопной пневмолиний уменьшены за счет дополнительных пневмосопротивлений тормозного устройства и подводящих к нему трубопроводов, конструктивно встраиваемых в эти магистрали. Следовательно, / < / , где индексы «п» и «г» соответственно означают пневмо- и гидроторможение. Качество торможения также влияет на его время. Компактная конструкция пневматического тормозного устройства обеспечивалась величиной тормозного" пути Хт = = 25 мм, при котором гарантировалась безударная остановка поршня при перемещениях Su = 0,4 4-0,6 м с грузом массой 3 кг.
тормозного устройства. Исследованиетормозного устройства. ИсследованиеРис. 6.5. Осциллограммы пневмопривода руки манипулятора Пр мод. «Циклон» с пневматическим (а) и гидравлическим (й) тормозами
тормозного устройства. Исследование
тормозного устройства. Исследование
Безударная остановка поршня в конце хода при меньших значениях SM достигалась уменьшением величины скорости в момент торможения посредством дросселирования выхлопной магистрали при полностью закрытом дросселе пневмопривода руки с ги
дроторможением показало, что при изменении нагрузки ивеличины хода поршня нет необходимости в подрегулировке тормозного дросселя, так как на всем диапазоне изменения этих величин обеспечи
вается безударная остановка поршня. На осциллограмме (рис. 6.5) показан характер торможения поршня при прямом ходе на величину Sn = 0,2 м с грузом массой 5 кг. Регулировка хода произведена с помощью заднего упора. Как видно из осциллограмм, при ходе поршня вперед пневматический тормоз по сравнению с гидравлическим не обеспечивает плавной остановки поршня. На рис. 6.5, а виден ярко выраженный удар.
Один из методов определения величин параметров Р, р, Q заключается в экспериментальном исследовании пневмопривода, работающего в условиях установившегося движения, с теоретической обработкой системы уравнений (6.1)— (6.3).
Этот метод положен в основу экспериментально-теоретических исследований пневмопривода руки робота «Циклон-ЗБ». Определение этих величин на опытном образце позволило с помощью их уточненных значений повторно решить задачу динамического синтеза и анализа и выйти на рациональные параметры пневмопривода.
Показанные на рис. 6.4 осциллограммы снимались при ходе поршня Sn = 0,57 м и массе груза 5 кг. Настройка тормозного устройства проводилась с учетом безударного подхода к опорным точкам при минимальной величине tT. Осциллограммы их, Рпх и Ршх подтверждают установившийся закон движения
поршня.
Для условий установившегося движения система дифференциальных уравнений (6.1)—(6.3), выраженная в безразмерной форме и описывающая закон движения поршня, а также характер протекающих в полостях цилиндра термодинамических процессов, может быть представлена в виде уравнений, приведенных ниже.
При ходе поршня вперед
в в nF в. в V (°пу) Опу Ошу^шп — X ’ ^У — в
При ходе поршня назад
и и nF н и Ф (°шу) .Ошу ОпуЫпш — X > УУ — и ’°шу
/ ft—1 \нн QH ( й I / оя \7) гг ' ГГ) I \
У " nF °пулн /
нпш\ ипу '
nF _=
1ДС ]/шп Г > ППШ — Г
гп
Значения хв, Xй, ^в> ^н определяют непосредственно решением приведенных выше уравнений с учетом полученных из осциллограмм величин ац.
С использованием формул перехода [10] определяют эффективные площади проходных сечений подводящих fP, /ш и выхлопных fm, fn магистралей при движении поршня вперед и назад.
Сравнение полученных величин Р, Q и р е их значениями, определенными ранее при проектном расчете, указало на явную переоценку нагруженности привода и недооценку значения /э. Это обстоятельство привело к целесообразности повторного проведения проектного и поверочного расчетов пневмопривода с учетом действительных значений Р, Q, р.
Система уравнений (6.1)—(6.3) решена на ЭВМ «Минск-32». Полученные теоретические зависимости изменения по времени скорости поршня при его движении вперед и назад показаны на рис. 6.4, а (кривые / и 2). Скачкообразный характер теоретической кривой, отражающей изменение скорости поршня, объясняется неучтенными при расчете изменениями силы трения, зависящей от скорости перемещения поршня. При этом отклонения по времени срабатывания пневмопривода и величине установившейся скорости перемещения поршня незначительны. Это указывает на то, что (предлагаемая методика по оценке значений Р, Н, р в условиях установившегося движения с целью уточнения рациональных параметров пневмопривода и разработки мероприятий по повыше- [ию его быстродействия на основе динамического анализа является [риемлемой для решения задач подобного вида.
Используя методы динамического синтеза, можно сделать выводы о недогруженности привода и меньших значениях про- Гпускных способностей пневмолиний, определивших недостаточное 285
быстродействие привода (иср = 0,7 м/с). Повышение скорости поршня в данном случае связано либо с увеличением пропускных способностей пневмолиний, либо с уменьшением диаметра поршня. Первый способ связан с увеличением габаритных размеров манипулятора или нарушением компактности конструкции. Второй способ при зафиксированных значениях /э позволяет не только увеличить быстродействие привода, но и уменьшить его массу. В результате перерасчета пневмопривода с использованием методов динамического синтеза уменьшен диаметр поршня до Dlt — = 0,05 м. Система уравнений (6.1)—(6.3) решена повторно. Полученная теоретическая зависимость изменения по времени скорости показана на рис. 6.4, б (кривая 3).
Предполагаемые результаты подтвердили осциллограммы, снятые для пневмопривода руки робота с уменьшенным диаметром поршня (см. рис. 6.4, 6Y При этом расхождения по времени срабатывания незначительны. Полученные значения безразмерных 11
площадей поршня — и —— указывают на некоторую недогру- женность привода. Однако при незначительном увеличении силы трения Pv, что нашло отражение в конструкции руки робота «Циклон-5», из-за дополнительного уплотнения, разделяющего поршневую полость для срабатывания пневмосхвата, соотношения между 1/% и U приближаются к оптимальным. Последующие увеличения сил сопротивления могут привести к уменьшению средней скорости поршня ниже заданной и перегрузке привода.
На рис. 6.4, б (кривая 7) показана зависимость, отражающая изменение скорости поршня по времени. Она получена решением системы уравнений при Dn = 0,045 м. Уменьшение диаметра поршня в этом случае привело к уменьшению времени срабатывания пневмопривода при движении поршня вперед и его перегрузке для условий движения." поршня назад. В последнем случае движение невозможно.
Как видно из^осциллограмм (см. рис. 6.4), средняя скорость поршня при движении'вперед выше, чем при перемещении назад, вследствие разницы времени нарастания и падения давления в поршневой полости. Повышение этой скорости поршня может быть достигнуто посредством увеличения пропускной способности выхлопной пневмолинии, связанной с поршневой полостью при ходе поршня назад. При этом уменьшается значение составляющей времени /„д. Магистраль, соединенная с поршневой полостью, при движении поршня вперед является подводящей и характеризуется эффективной площадью f®, при движении назад — ^и. Причем увеличение площади ^ не должно быть связано с изменением /пВ, обеспечивающей достаточно высокую скорость поршня при движении вперед. Кроме того, изменение площади /„“ не должно нарушать компактность) конструкции манипулятора. С учетом этих требований непосредственно на поршневой полости цилиндра 286
оыл установлен клапан быстрого сброса воздуха (см. рис. 2.5, б), который при движении поршня вперед при небольших потерях давления пропускает воздух в поршневую полость. При обратном ходе поршня сжатый воздух из поршневой полости вытесняется непосредственно в окружающую среду. На рис. 6.4, б пунктирными линиями показаны графические зависимости и^ и р'п экспериментально полученные для привода с установленным кла- паном быстрого сброса. Некоторое увеличение быстродействия пневмопривода руки робота достигнуто уменьшением величины составляющей ta.
Переход в роботе «Циклон-5» на СПУ другой конструкции, позволившей исключить шаговый искатель и релейную схему управления, сократил до минимума в рациональных пределах составляющую времени 1Л. Практически это время стало равным времени срабатывания электромагнита воздухораспределителя. Таким образом, с использованием описанных выше методов и способов быстродействие пневмопривода руки робота увеличено более чем в 1,5 раза, что нашло отражение в роботе «Циклон-5». Некоторые результаты исследований внедрены в действующее производство робота «Циклон-ЗБ».
При проведении экспериментальных исследований для привода механизма поворота были сняты осциллограммы изменения скорости и перемещения, осциллограммы изменения давлений в полостях пневмо- и гидроцилиндров по времени. Исследования проводились на манипуляторе робота «Циклон-ЗБ» с одной и двумя руками, с грузами и без грузов, при различных условиях регулировки гидравлического дросселя и напорного клапана (см. рис. 2.5, а).
Дальнейшее изложение материала проводится с учетом рис. 2.5, а.
При экспериментах поддерживалось стабильное давление сжатого воздуха на входе в манипулятор, равное 49,03- 104 Па. Обработка полученных результатов позволила наметить ряд конструктивных решений, направленных на повышение быстродействия пневмогидропривода, реализовать их и повторно снять осциллограммы. Используемые в качестве измерительной аппаратуры датчики давления имели нелинейную характеристику и предварительно тарировались на гидравлическом прессе с использованием образцовых манометров.
На рис. 6.6 показана одна из снятых осциллограмм привода механизма поворота манипулятора робота «Циклон-ЗБ» с одной рукой, без груза. Тормозная гидроаппаратура отрегулирована на плавный переход в момент торможения. Угол поворота руки составляет 3,14 рад. Направление поворота — против часовой стрелки.
Общее время поворота руки (время рабочего хода) можно представить в виде алгебраической суммы составляющих
MIC Г 1 НС г 'уст I торм I tTOpM I 1 ’
Рис. 6.6. Осциллограммы пневматического гидропривода механизма поворота руки (рук) манипулятора ПР мод. «Циклон» без применения и с применением способов по повышению быстродействия привода:
S^ н vn “ осциллограммы соответственно перемещения и скорости перемещения поршня;
Рр и Рв — осциллограммы изменения давлений соответственно в рабочей и выхлопной
„ _ г г
полостях пневматических рабочих цилиндров 5; рр и рс — осциллограммы изменения давлений в рабочей и сливной полостях гидроцилиндров 4; ип уст ит> уст~установившиеся скорости поршня соответствеиио при его рабочем перемещении и торможении; Sn — ход поршия; Ру, Тр — давление в выхлопной полости рабочего цилиндра 5, соответствующее моменту трогания поршня с места; /нд н /Пд — время нарастания давления соответственно в рабочей и выхлопной полостях рабочего цилиндра 5
где /ис — время нарастания скорости поршня до достижения установившегося давления в выхлопной полости малого пневмоцилиндра; /„с — время нарастания скорости поршня до установившегося значения; /уСт — время перемещения поршня при установившейся скорости; /тори — время ускоренного перемещения поршня при торможении; /тори — время торможения поршня на ползучей скорости; f — подготовительное время до момента трогания поршня с места в противоположном направлении, включающее время трогания /тр.
При проектном расчете привода механизма поворота его быстродействие оценено приблизительно, так как значения Мир, р^с, Рх а и Ь, используемые в уравнении Рикатти (6.4), определены со значительными допущениями. Анализ рассматриваемых осциллограмм позволил не только определить более точные значения указанных величин, но и оценить их влияние на быстродействие привода.
Одними из основных показателей быстродействия привода являются величина установившейся скорости поршня ип. уст и степень возрастания скорости на участке, характеризуемом вре- 288
Менем Йс Для участка установившегося перемещения йбрший (рис. 6.6) уравнение (6.4) примет следующий вид:
2
Л^(“ + г±-;) = -г-(Я-^)- (6М \ иП. УСТ / Г пл
Левая часть этого уравнения представляет собой величину суммарной потери напора в гидросистеме, значение которой определяется по осциллограмме ртРх = f (t).
Величина b определяется теоретически с относительно большой погрешностью. Величина уп. уст определяется по осциллограмме. Отсюда нетрудно определить значение приведенного коэффициента местных сопротивлений а. Значение р® определяется по осциллограммам как разность давлений в рабочей и выхлопной полостях рабочих цилиндров при установившихся перемещениях поршней. Следовательно, решая уравнение (6.5) относительно р*, получаем
РС = Руст — Рр-
Значения а и рс являются при некоторых допущениях постоянными величинами для данной конструкции, не зависящими от скорости поршня, работающего в режиме разгона.
На участке разгона поршня, соответствующего периоду йс при р® = const, уравнение (6.4) можно проинтегрировать как дифференциальное уравнение с разделяющимися переменными. Полученное в результате интегрирования выражение позволяет проследить характер изменения времени разгона поршня йс от величины приведенной массы А4пр для манипулятора с одной и двумя руками, с грузом и без груза и т. д. Для получения графической зависимости t"№ = t (^пр) необходимо предварительно снять несколько осциллограмм для пневмогидропривода с учетом изменений массы переносимого груза, радиуса рабочей зоны, числа рук манипулятора.
При этом для каждого случая при определяемых из осциллограмм значениях скорости поршня, давлений в полостях пневмоцилиндров и времени разгона поршня йс решением полученного после интегрирования уравнения Рикатти можно определить уточненные значения Л4пр, на основе которых строится графическая зависимость Йс = f (Мпр).
Величина Л4пр при выбранной конструкции механизма поворота определяется моментом инерции вращающейся части манипулятора, в состав которой входят консоли, руки, грузы и т. д. Величина момента инерции ^ зависит от массы этих узлов и радиуса инерции. Располагая данными по характеру и величине изменения масс элементов верхней вращающейся части, можно по полученному графику йс = t (МпР) оценивать влияние этих изменений на быстродействие привода.
10 Шифрин Я- А- и др- 289
Рассматривая по осциллограммам (рис. 6.6) подготовительный период t' до начала трогания поршня с места, можно заметить, что время нарастания давления /нд в рабочей полости рабочего цилиндра относительно невелико (0,04 с). Величинами, определяющими момент трогания поршня с места, являются коэффициент расхода в отводящей магистрали выхлопной полости цилиндра и разность между значениями движущей силы и силы сопротивления. При определенных по осциллограмме значениях давления трогания в выхлопной полости /?в.тр и времени до момента трогания по уравнению истечения газа из ограниченного объема определяется величина р, которая характеризует пропускную способность выхлопной пневмолинии привода механизма поворота. Любое изменение величины силы трения при заданном конструкцией коэффициенте расхода р повлечет за собой изменение ^тр. При увеличении движущей силы /тр уменьшается.
Время ^нс, соответствующее периоду разгона поршня при Рвх = / (0. определяется решением уравнения Рикатти методом численного интегрирования.
Значительное влияние на суммарное время поворота руки оказывает время торможения, представленное в составляющих ^торм, ^торм-
Безударный подход руки робота к опорной точке достигается соответствующей регулировкой тормозного дросселя 11, обеспечивающего необходимую для этого установившуюся скорость торможения vT. уст.
Плавность переходного процесса в начальный момент торможения обеспечивается настройкой напорного клапана 10 (см. рис. 2.5). Величина хода подпружиненного упора 6 выбрана конструктивно Sn = 30 мм.
Срабатывание датчика ВК1 (ВК2) происходит при утапливании упора б на 2 мм, что достигается настройкой при монтаже механизма поворота. Следовательно, ход поршня при повороте руки на участке перемещения упора от момента появления электрического сигнала с датчика до окончания движения 5„э = 28 мм, что соответствует углу поворота руки cq = 0,628 рад. По величине 8пЭ и моменту начала торможения, определяемому по осциллограмме Рвх = / (0 (см. рис. 6.6), можно определить время прохождения электрического сигнала t'3 с тормозного датчика ВК1 фК2^ до начала срабатывания золотникового распределителя; t3 = 0,04 с. Очевидно, что угол поворота руки а2 за время ^ является величиной, зависящей от скорости поршня в момент начала торможения. Например, при скорости поворота руки оз' = 3,14 рад/с угол а3 = о)'^ = 0,1308 рад. Следовательно, угол торможения «т = = «1 — а2 = 0,497 рад. Следует отметить, что при малых значениях угла поворота руки значения со' относительно малы, что приводит к значениям ат, близким к 0,628 рад.
Время прохождения электрического сигнала /э от датчика положения, контролирующего окончание хода поршня, до момента срабатывания соответствующего воздухораспределителя, обеспечивающего отработку обратного хода поршня, определено при исследовании руки робота «Циклон-ЗБ» и ^ = 0,28 с.
Конструкция привода механизма поворота руки в отличие от конструкции руки робота обеспечивает раздельную регулировку положения упора и датчика, благодаря чему может быть достигнуто относительно точное совпадение моментов окончания движения поршня и срабатывания воздухораспределителя без увеличения времени /э. Как видно из осциллограммы (см. рис. 6.6), грубая регулировка привела к увеличению /э примерно на 0,2 с.
Из сравнения осциллограммы уп (см. рис. 6.6) с осциллограммой снятой для привода механизма поворота манипулятора с двумя руками и грузами массой 5 кг в каждой руке, можно заметить, что с увеличением Л4пр увеличивается время разгона поршня tHC и время торможения /тори-
Исходя из необходимости повышения быстродействия привода в целом разработано несколько способов, позволяющих уменьшить значения составляющих времени рабочего хода Т.
Способ повышения быстродействия привода посредством уменьшения составляющих времени рабочего хода /нс, Кст> Кр- Как было установлено ранее, уменьшение времени разгона поршня /нс может быть достигнуто увеличением значений движущих сил и уменьшением сил сопротивления. Увеличение значений движущих сил при постоянном магистральном давлении сжатого воздуха на входе в манипулятор может быть достигнуто увеличением внутренних диаметров рабочих пневмоцилиндров. Снижение значений сил сопротивления требует уменьшения коэффициентов трения подвижных уплотнительных элементов в паре коллектор—цилиндр механизма подъема и поворота (см. рис. 2.4) либо изменения конструкции в направлении, ухудшающем компактность манипулятора. Увеличение внутренних диаметров рабочих цилиндров приводит к увеличению габаритных размеров манипулятора и прежде всего к увеличению одного из основных параметров — наименьшей высоты манипулятора от уровня пола до оси руки, что недопустимо для условий обеспечения рациональной взаимосвязи ПР с прессовым оборудованием. Один из предложенных методов по повышению быстродействия привода не затрагивает параметров манипулятора и вместе с тем позволяет достичь желаемых результатов. Он заключается в параллельном включении при выполнении процесса разгона поршня двух пневмоцилиндров: рабочего 5 (см. рис. 2.5) и цилиндра упоров 4. Ход штока 2 подбирается такой величины, чтобы при обеспечении максимального быстродействия избежать удара в конце пути. При этом необходимо регулировкой тормозного дросселя визуально установить величину скорости перед торможением, исключающей появление удара.
Осциллограмма и^ (см. рис. 6.6) отражает такой процесс разгона поршня при величине подталкивания поршня штоком, равной 47 мм, что соответствует углу поворота рук вокруг вертикальной оси манипулятора, равному 1,0464 рад. Для сравнительной оценки достигаемого быстродействия используют осциллограммы и„х = fi (/) и сух = fu (0> снятые с манипулятора, смонтированного с двумя руками и грузами массой по 5 кг в каждой руке.
Повышенное быстродействие привода с подталкиванием достигается не только за счет больших значений установившихся скоростей и меньших времен периодов разгона поршня ^с и Дс, но и за счет сокращения времени трогания поршня с места.
Способ повышения быстродействия привода посредством уменьшения составляющей времени рабочего хода /тр. Установкой в пневмолиниях рабочих цилиндров клапанов быстрого сброса сжатого воздуха (см. гл. 2) обеспечивается повышение пропускной способности выхлопной магистрали, что, в свою очередь, снижает значение давления трогания рв, тр при соответствующем уменьшении составляющих времени рабочего хода ^тр.
Способ повышения быстродействия привода посредством уменьшения составляющей времени рабочего хода /торм. Достигаемая регулировкой дросселя установившаяся скорость перед торможением поршня должна обеспечивать безударный подход поршня к точке позиционирования. Например, из осциллограммы Упх (см. рис. 6.6) видно, что отрегулированная дросселем установившаяся скорость перед торможением имеет величину, приводящую к удару с отскоком в конце хода. Из осциллограммы ип видно, что процесс торможения за период времени /торм приводит к значительному увеличению времени рабочего хода поршня. При этом скорость поршня на определенном участке перед торможением имеет установившееся значение.
Наличие в цикле работы манипулятора нескольких запрограммированных отрезков пути по повороту руки (рук), отличающихся протяженностью и характером меняющейся нагрузки в (схватах) схвате вращающейся руки, вызывает трудности, связанные с обеспечением безударного подхода ко всем точкам позиционирования при одной регулировке дросселя. Разработанная система программного управления УЦМ-20 исключает этот недостаток. Предусмотренная в системе возможность ввода временных задержек на начало торможения в каждом переходе на выполнение последующих перемещений схвата манипулятора позволяет свести до рационального минимума время тормозного периода £орм. Рассмотрим осциллограмму иПл;. Величина перемещения поршня при установившейся скорости торможения ST. yCf = ит. УС17Т. уСт, где 1Т. уст — время перемещения поршня пневмогидропривода при установившейся скорости торможения ит. УС1. Поэтому величина задержки электрического сигнала 1ЗЭ на начало срабатывания 292
электромагнита гидравлического распределителя при установившейся скорости поршня ип. уст перед началом торможения может быть выражена формулой
4 St. уст Ут. уст у
„ 1Т. УСт’
Уп. уст уп. уст
Следовательно, время задержки электрического сигнала, обеспечивающее сокращение времени срабатывания пневмогидропри- вода, представляет величину, зависящую от скорости ит, уст и продолжительности перемещения поршня Ц УСт перед торможением, а также от установившейся скорости ип. уст в начальный момент торможения.
С некоторой погрешностью время /33 может быть определено по приведенной выше формуле и для малых углов поворота, при которых скорости поршня не достигнут к начальному моменту торможения установившегося значения.
Уменьшение времени срабатывания пневмогидропривода, получаемое при использовании эффекта по задержке срабатывания электромагнита гидравлического распределителя, равно Ц уст ’ ^ЗЭ'
Вычисленные с помощью приведенных выше зависимостей и осциллограмм, снятых с пневмогидропривода манипулятора робота «Циклон-ЗБ» для исполнений с одной и двумя руками при изменяемых нагрузках и радиусах рабочей зоны, а также различных углах поворота руки (рук), значения задержек электрического сигнала на тормозное устройство t№ нашли свое отражение в разработанной СПУ мод. УЦМ-20, В эту систему заложена возможность программировать величины 4Э Для каждого из запрограммированных углов поворота рук (руки) манипулятора в пределах от 0,04 до 0,28 с с дискретностью 0,04 с. Таким образом, применение способов повышения быстродействия пневмогидропривода механизма поворота позволило уменьшить значения составляющих ^нс, 1уСТ, ^ТОРМ) t .
Для манипулятора с двумя руками, с грузами массой до 5 кг в каждой руке и углом поворота рук, равным 3,14 рад, время рабочего хода с учетом приведенных способов повышения быстродействия пневмогидропривода механизма поворота уменьшено почти в 1,5 раза.
Привод подъема робота «Циклон-ЗБ» является пневматическим. Торможение при подъеме рук на модернизированных ПР осуществляют гидравлическим тормозом, а торможение при опускании — внутренним устройством с величиной тормозного пути, равной 45 мм.
Выбор параметров пневмопривода этого узла сопряжен с определенными трудностями, вызванными противоречивыми условиями его работы при подъеме и опускании. Если при ходе рук вверх параметры пневмопривода механизма подъема можно оценить 1101, то при ходе вниз перемещение поршня не ^оответртвует 293
установившемуся, а изменяющийся в пределах одной программы работы ПР характер нагрузки приводит к ударам об упор в конце перемещения. При проектном расчете пневмопривода подъема значения Р, й, р можно было оценить с достаточно большой точностью ввиду его типового исполнения и наличия справочных данных по пропускным способностям распределительной аппаратуры и трубопроводов.
Однако настройкой тормозного устройства привода подъема при изменяющихся величинах нагрузок (опускание при втянутой или выдвинутой руке с грузом или без груза) не достигалось необходимого быстродействия при стремлении осуществить плавный подход к опорной точке.
Скачкообразный подход поршня к нижней точке вызывал значительные колебания схвата руки и не только увеличивал время рабочего хода поршня при опускании, но и не позволял применять ПР при автоматизации некоторых технологических процессов, требующих плавного подхода к опорной точке.
Поэтому в манипуляторе роботов «Циклон-5.01», «Циклон-5.02» предусмотрен пневмогидравлический привод (см. в гл. 2). Его применение позволило сформировать установившийся закон перемещения поршня при опускании рук и уменьшить время рабочего хода. Например, это время для манипулятора робота «Циклон-5.01» с двумя руками, с грузами массой по 5 кг в каждой руке и ходом, равным 0,1 м, уменьшено почти в 2 раза.
6.3. ОБОСНОВАНИЕ ВЫБОРА ПРОМЫШЛЕННЫХ РОБОТОВ С ПНЕВМОПРИВОДОМ и цикловой СИСТЕМОЙ ПРОГРАММНОГО УПРАВЛЕНИЯ
Обоснование выбора ПР с пневмоприводом и цикловой СПУ построено на сопоставлении производительностей РТК и участка холодной листовой штамповки с применением ручного труда. Выполняемые на них технологические операции аналогичны между собой. Робот «Циклон-ЗБ» и разработанный с учетом методических рекомендаций и способов по обеспечению заданного быстродействия робот «Циклон-5» явились начальной базой для проведения таких сопоставлений. При определении производительности РТК использованы рекомендации, изложенные выше.
Один из этапов обоснования включает построение графических зависимостей, отражающих изменения средних технологических скоростей рабочего органа схвата манипулятора при изменениях величин перемещений схвата по всем транспортным координатам и масс переносимого схватом груза. Эти зависимости (рис. 6.7) получены экспериментально и положены в основу определения производительности РТК холодной листовой штамповки на базе роботов «Циклон-ЗБ» и «Циклон-5» при диапазоне изменения массы груза тг до граничных значений в соответствии с техническими условиями на ПР указанных моделей.
Рис, 6,7, Зависимости средних технологических скоростей перемещения рабочего органа манипулятора ПР модели «Циклон» от величин перемещений и массы заготовки: а — рука манипуляторов ПР «Циклон-ЗБ» и «Цнклон-5»; / — ПР «Циклон-5» (движение вперед) с шр 5 кг; 2 — ПР «Циклон-5» (движение назад) с тр ^5 кг; 3 — ПР «Циклон-ЗБ» (движение вперед) без груза; 4 — ПР «Циклон-ЗБ» (движение вперед) с щг < 5 кг; 5 — ПР «Циклон-ЗБ» (движение назад) с тг С 5 кг; б — механизм поворота манипуляторов ПР «Циклон-ЗБ» н «Циклон-5»; / — ПР «Циклои-5» с двумя руками, с тг — 5 кг; 2 — ПР «Циклон-ЗБ» с одной рукой, без груза; 3 — ПР «Циклон-ЗБ» с одной рукой, с т? = 3 кг; 4 — ПР «Циклон-ЗБ» с двумя руками, без груза; 5 — ПР «Циклон-ЗБ» с двумя руками, с тг = 3 кг
На рис. 6.8 показаны зависимости времени выполнения операции холодной листовой штамповки на роботизированной позиции и участке с применением ручного труда от массы груза тг (заготовки). Масса груза увязана с ее габаритными размерами и типоразмерами прессового оборудования. Роботизированные позиции построены на основе роботов «Циклон-ЗБ» с одной (кривая 7) и двумя (кривая 2) руками «Циклон-5.01», «Ритм-05», «Ритм-01.02» и перспективной модели «Циклон-10». При построении графиков для роботизированной позиции и участка с применением ручного труда основное (машинное) время не учитывалось. Как видно из рис. 6.8, некоторое повышение быстродействия робота «Циклон-ЗБ» на роботизированной позиции достигается установкой на манипулятор второй руки. В этом случае некоторый проигрыш в быстродействии рабочего органа манипулятора при его перемещениях по транспортным координатам окупается сокращением программы работы ПР на роботизированной позиции.
Значительное повышение производительности робота «Циклон-5.01» на роботизированной позиции достигнуто за счет внедрения в эту машину всех описанных ранее способов повышения быстродействия. Изменение производительности робота «Циклон 5.01» на роботизированной позиции от массы груза показано на рис. 6.8, кривая 6. Изменение производительности человека на участке холодной листовой штамповки в зависимости от харак-
КбКбоАоАууЮЮРис. 6.6. Зависимость вреМеий выполнения операции холодной листовой штамповки иа роботизированной позиции и участке с применением ручного труда от массы груза
Кб
Кб
оА
оА
у
у
Ю
Ю
робота «Циклон-5» со обеспечению заданного лаемым результатам наробота «Циклон-5» со обеспечению заданного лаемым результатам натеристики массы груза и прессового оборудования показано на рис. 6.8, кривая 4.
робота «Циклон-5» со обеспечению заданного лаемым результатам на
робота «Циклон-5» со обеспечению заданного лаемым результатам на
Из сравнения графиков (рис. 6.8, кривые 4 и 6) можно сделать заключение, что применение
всеми внедренными способами по быстродействия не приводит к же-
всем диапазоне изменения параметров заготовок и типоразмеров прессового оборудования. Создание робота «Циклон-5» позволило получить выигрыш по производительности роботизированной позиции по сравнению с участком, на котором используется ручной труд, в диапазоне обработки заготовок массой до 0,5 кг. Изменение коэффициента быстродействия робота Кб от массы заготовки (кривая 3) получено на основе сопоставлений кривых 4 и 6 (рис. 6.8).
Максимальное значение коэффициента быстродействия робота Кб = 1,41 соответствует работе робота «Циклон-5.01» на роботизированной позиции с наибольшим значением для этой машины массы заготовки (кривая 3). При уменьшении габаритных размеров и массы заготовок суммарное время перемещений схвата манипулятора робота «Циклон-5.01» по транспортным координатам снижается менее интенсивно, чем суммарное время, затрачиваемое человеком при выполнении им аналогичной операции. Область значений Кб < 1 соответствует массе груза около 0,5 кг. Отсюда вытекает необходимость в поиске других технических решений, которые позволили бы перекрыть суммарное время, затрачиваемое человеком при выполнении сравниваемых трудовых приемов.
При сопоставлении норм времени на отдельные микроэлементы движения человека и рабочих перемещений схвата манипулятора при выполнении аналогичной операции можно сделать следующие выводы. Повышение быстродействия робота «Циклон-5.01» при работе с заготовками малых масс и габаритных размеров связано либо с необходимостью дальнейшего увеличения средних технологических скоростей по транспортным координатам, либо с созданием других моделей ПР с уменьшенными силами сопротивления и инерционными нагрузками. Дальнейшее увеличение средних технологических скоростей рабочего органа манипулятора робота «Циклон-5.01» приведет к увеличению габаритных размеров манипулятора.
В 1978 г. разработан и создан робот «Ритм-05», описание которого приводится в гл. 2. Кинематическая схема этой модели ПР приближена к кинематике движений рабочего, а исполнение манипулятора с двумя руками позволяет получить необходимый выигрыш в быстродействии по сравнению с человеком. С помощью анализа характера перемещений схватов манипулятора робота «Ритм-05» на роботизированной позиции и движений человека на участке холодной листовой штамповки при выполнении аналогичной технологической операции установлены некоторые направления, касающиеся уменьшения времени технологического цикла на роботизированной позиции.
Это направление связано с увеличением средних технологических скоростей схватов манипулятора за счет уменьшения инерционных нагрузок и исключения некоторых перемещений при обработке заготовок массой до 0,2 кг и соответственно уменьшенными габаритными размерами. Например, достигнуто уменьшение инерционных нагрузок на пневмопривод, обеспечивающий подачу заготовок из подающего устройства в штамп и из штампа в приемное или приемно-передающее устройство. Это уменьшение инерционных нагрузок получено за счет того, что в кинематической схеме манипулятора вместо поворота рук вокруг его вертикальной оси (робот мод. «Циклон») предусмотрен сдвиг рук относительно фронтальной плоскости пресса. Кроме того, пневмопривод механизма поперечного сдвига рук дополнительно разгружен, так как приводы подъема-опускания схватов вынесены непосредственно в зону кистей рук. Такое решение позволило одновременно уменьшить как габаритные размеры пневмопривода сдвига, так и всего манипулятора в целом. Используя методические рекомендации по обоснованию необходимого быстродействия ПР в РТК холодной листовой штамповки, заданы и реализованы средние технологические скорости схватов манипулятора по всем транспортным координатам манипулятора робота «Ритм-05». Они обеспечили необходимую производительность роботизированной позиции.
Кривая 8 на рис. 6.8 отражает характер изменения производительности роботизированной позиции на базе робота «Ритм-05» от массы груза для прессового оборудования с технологическими силами до 39,2-104 Н. Робот «Ритм-05» можно использовать на РТК с универсальными кривошипными прессами усилием 61,74-104 и 98 • 104 Н. При этом максимальные габаритные размеры заготовок относительно размеров столов прессов должны быть ограничены, а производительность такого РТК будет несколько занижена. Участок кривой 8 (см. рис. 6.8), на котором производительность роботизированной позиции не зависит от изменения массы груза, получен из условия исключения из программы работы ПР перемещения — поперечного сдвига рук манипулятора. Такое исключение возможно при обработке заготовок с уменьшенными габаритными размерами (до 100X 100 мм). При этом загрузка ?97
пресса осуществляется схватами рук, установленными под углом друг к другу (см. рис. 2.8, д).
Для работы с заготовками массой до 0,1 кг разработан и создан робот «Ритм-01». Необходимость в создании этой модели ПР вызвана потребностью уменьшения площади РТК и повышения его производительности. Кривая 7 отражает изменение производительности роботизированной позиции с применением одной из модификаций роботов «Ритм-01»—«Ритм-01.02» от массы груза до 0,1 кг. Рекомендуется при этом использовать прессовое оборудование с технологическими усилиями до 24,5-104 Н. Следует отметить, что создание роботизированных позиций и РТК можно планировать с учетом одинаковых типоразмеров прессового оборудования как на базе робота «Ритм-05», так и на базе робота «Ритм-01». Критерием для более удачного выбора модели ПР являются факторы, связанные с технико-экономическими обоснованиями и производственными возможностями предприятий, внедряющих этот вид техники. Кривая 5 отражает изменение производительности роботизированной позиции холодной листовой штамповки на основе перспективного робота «Циклон-10». Этот ПР предназначен для автоматизации технологических процессов горячей объемной штамповки на прессах с технологическими усилиями 15,68 106, 24,5-10® и 39,2-10® Н, холодной листовой штамповки на прессах с технологическими усилиями до 30,87 х X Ю5 Н, литья под давлением на машинах этого вида производства с усилиями запирания пресс-форм до 61,74-105 Н. Он позволяет в листоштамповочном производстве осуществлять обработку заготовок с максимально возможными габаритными размерами на универсальных кривошипных прессах с технологическими усилиями 61,74 • 104 и 98-104 Н. Кривая 5 построена для условий Кб = 1,2.
Средние технологические скорости рассматриваемой модели ПР определяют исходя из анализа программы работы на конкретном РТК и на основе методических рекомендаций, изложенных выше. Кинематическая схема робота «Циклон-10» предусматривает исполнение манипулятора с одной рукой и наличие сдвига манипулятора во взаимно перпендикулярных направлениях в зависимости от вида производства и характера технологического процесса. По сравнению с роботом «Циклон-5.02» увеличивается его грузоподъемность до 98 Н с уменьшением размера от оси руки до пола, увеличивается число опорных точек по подъему- опусканию руки. Эта модель ПР предусматривает увеличение размерных параметров манипулятора по выдвижению-втягиванию руки и ее подъему-опусканию. Для каждого из трех указанных видов производства предусматривается создание модификаций ПР, отличающихся конструкцией руки и расположением механизма сдвига манипулятора относительно его продольной оси.
Глава
РОБОТОТЕХНИЧЕСКИЕ КОМПЛЕКСЫ
ОСНОВНЫЕ ПРИНЦИПЫ ПОСТРОЕНИЯ РОБОТОТЕХНИЧЕСКИХ КОМПЛЕКСОВ
В робототехнике нашли отражение различные методические подходы при разработке автоматизированных систем на основе ПР. Это выражается в создании, например, комплексов «станок—робот», где ПР можно применять как встроенный в станок (специальный), обслуживающий группу однотипных станков (специализированный или целевой), полностью автономный и обслуживающий разнотипное основное технологическое оборудование (универсальный).
Различия в методологии создания ПР находят отражение и в структурах робототехнических комплексов. Организация рабочих мест ПР должна способствовать не только замене человека на основных и вспомогательных операциях, но и поднимать производительность машин. ПР на производстве образует своеобразный автоматизированный или робототехнический комплекс. Введем следующую терминологию: ПР в комплексе с одной единицей основного технологического оборудования образует роботизированную позицию; ПР в комплексе с несколькими единицами основного технологического оборудования образует роботизированный участок (при охвате только нескольких операций технологического процесса); один или несколько ПР в комплексе с несколькими единицами основного технологического оборудования образуют роботизированную линию (при охвате всех операций технологического процесса).
Применение ПР в производстве вносит определенную специфику в разработку рациональной планировки (структуры) РТК по сравнению с соответствующей планировкой рабочего места для человека.
Для человека, в зависимости от технических условий и степени механизации производственных процессов, оптимальная структура рабочего места должна обеспечить экономию затрачиваемой энергии, уменьшение протяженности рабочих траекторий, уменьшение мышечных усилий. В конечном итоге все это выражается в приведении в соответствие размеров и расположения оборудования, инструментов и предметов труда с расположением частей тела работающего. Такой антропометрический подход требует указания определенной рабочей зоны, в которой человек может поль-
зеваться инструментами и предметами труда, не совершая наклонов туловища, не сходя со своего места. На основе средних антропометрических показателей человеческого организма рассчитываются активные рабочие зоны и размеры оборудования рабочего места для конкретного рабочего. Размеры зон и оборудования рабочего места в основном зависят от досягаемости рук при определенной рабочей позе [20, 14].
Рекомендуемые размеры активных рабочих зон (основные активные рабочие зоны) рассчитаны на управление основным технологическим оборудованием (пуск-останов и т. д.), установку и снятие заготовки и приспособления и т. д. Однако достижение других точек на рабочей позиции, связанных с размещением полуфабрикатов и обработанных предметов, инструмента и т. д., связано с разворотом туловища, наклоном, подходом. Поэтому на рабочем месте в РТК можно выделить также несколько вспомогательных активных рабочих зон, кроме основной, связанных с размещением в таре (подающем устройстве) исходных заготовок, с контролем обработанных предметов, с размещением в таре (приемном устройстве) обработанных предметов и т. д.
В частном случае, при огранизации непрерывно-поточного производства (одно- или малопредметного) предметы обработки могут поступать на рабочую позицию или отводиться с нее с помощью транспортеров (склизов, лотков и т. д.). В этом случае точки захвата предметов и разгрузки могут находиться в пределах основной активной рабочей зоны.
При сопоставлении типовых схем взаимного расположения человека и ПР (общемашиностроительного типа) с основным технологическим оборудованием (станок, пресс) видно, что, например, рука ПР по своим программируемым перемещениям и габаритным размерам превосходит руку человека. Это обусловлено тем, что размещение ПР в РТК должно отвечать следующим основным условиям: исключая рабочего, ПР не заменяет наладчика, выполняющего работы по смене инструмента, настройке оборудования, приспособлений и т. д. Следовательно, в РТК должны быть предусмотрены зоны для проведения соответствующих работ, а также для профилактики и ремонта оборудования (рис. 7.1). Размерные параметры ПР (например, площадь основания, величины горизонтальных и вертикальных перемещений руки и т. д.) должны находиться в соответствии с размерными параметрами основного и вспомогательного технологического оборудования и соответствовать нормам на их размещение в цехах машиностроительных предприятий [13].
При разработке структуры РТК основное внимание должно быть обращено на расчет занимаемой им производственной площади. В общем виде, производственная площадь робототехнической позиции S определяется по формуле
(7-1)(7-1)S = (/ + 6 + 0,5d) (h + 0,5М),
(7-1)
(7-1)
Рис. 7.1. Зоны манипуляторов ПР для охлаждения, текущего ремонта, профилактики и т. д.: а — «Циклон-ЗБ»; б — «Юни- мейт-2600; о— «Универсал-50М», / — зона для воздушного охлаждения; 2 — зона для обслуживания гидравлической системы; 3 — зона для обслуживания СПУРис. 7.1. Зоны манипуляторов ПР для охлаждения, текущего ремонта, профилактики и т. д.: а — «Циклон-ЗБ»; б — «Юни- мейт-2600; о— «Универсал-50М», / — зона для воздушного охлаждения; 2 — зона для обслуживания гидравлической системы; 3 — зона для обслуживания СПУ
Рис. 7.1. Зоны манипуляторов ПР для охлаждения, текущего ремонта, профилактики и т. д.: а — «Циклон-ЗБ»; б — «Юни- мейт-2600; о— «Универсал-50М», / — зона для воздушного охлаждения; 2 — зона для обслуживания гидравлической системы; 3 — зона для обслуживания СПУ
Рис. 7.1. Зоны манипуляторов ПР для охлаждения, текущего ремонта, профилактики и т. д.: а — «Циклон-ЗБ»; б — «Юни- мейт-2600; о— «Универсал-50М», / — зона для воздушного охлаждения; 2 — зона для обслуживания гидравлической системы; 3 — зона для обслуживания СПУ
где / — длина основного оборудования вдоль фронта; b — расстояние от стены или колонны до рабочего места; d— величина прохода между оборудованием; h — ширина основного технологического оборудования; М — расстояние между оборудованием по ширине.
Оценка рациональности структуры РТК определяется расчетом коэффициента использования производственной площади:
п
К =(7.2)
где qY — площадь, занимаемая основным оборудованием; q2 — площадь, занимаемая вспомогательным технологическим оборудованием; п — количество единиц технологического оборудования.
Для оценки выбора рационального типоразмера манипулятора введем коэффициент Кр, учитывающий отношение площади рабочего места РТК к площади основания ПР:
Кр = , (7.3)
Ор
где Sp. мгде Sp. мкак Sp. мкак Sp. мнования ПР.Отсюданования ПР.Отсюда— площадь рабочего места, определяемая в общем случае = (/ + d) М; Sp — площадь ос-— площадь рабочего места, определяемая в общем случае = (/ + d) М; Sp — площадь ос-= (/ + d)b или Sp. м= (/ + d)b или Sp. мSpSpSp, мКр •Sp, мКр •(7.4)(7.4)
где Sp. м
где Sp. м
как Sp. м
как Sp. м
нования ПР.Отсюда
нования ПР.Отсюда
— площадь рабочего места, определяемая в общем случае = (/ + d) М; Sp — площадь ос-
— площадь рабочего места, определяемая в общем случае = (/ + d) М; Sp — площадь ос-
= (/ + d)b или Sp. м
= (/ + d)b или Sp. м
Sp
Sp
Sp, м
Кр •
Sp, м
Кр •
(7.4)
(7.4)
Формула (7.4) более точно учитывает взимное размещение всех элементов на РТК. Можно отметить, что длина / основного оборудования и величина прохода d между оборудованием являются основными размерными параметрами при расчетах оптимальных величин оснований манипуляторов ПР.
Для типовой схемы «РТК — позиции» производственная площадь
Sp = Б1е2 (/ + d) b,(7.5)
где ех — коэффициент, учитывающий площагь, занимаемую вспомогательным технологическим оборудованием; е.*— коэффициент, учитывающий площадь, необходимую для эксплуатации, профилактики, ремонта, наладки ПР.
Для определения объективной связи ПР с основным технологическим оборудованием исследуются зависимости вида I = f (m), где т — масса обрабатываемых предметов, или грузоподъемность ПР. Анализ около 200 моделей ПР отечественных и зарубежных конструкций позволил определить статистические закономерности в изменении производственной площади Sp в зависимости от величины т как Sp = 0,51 + 0,02m (диапазон изменения т от 0,5 до 70 кг).
СТРУКТУРЫ РОБОТОТЕХНИЧЕСКИХ КОМПЛЕКСОВ
В КУЗНЕЧНЫХ ЦЕХАХ
Решение вопросов комплексной автоматизации оборудования в кузнечных цехах на основе ПР имеет специфичные особенности, влияющие на конструктивные схемы средств автоматизации и требующие специального подхода к выбору или созданию нужной модели ПР.
Анализируя особенности замены рабочих в кузнечных цехах, можно отметить, что их труд характеризуется повышенной опасностью и вредностью (температура, запыленность и загазованность среды, шум), выполнением тяжелых и однообразных операций, большими физическими нагрузками, сложной координацией движений и постоянным нервным напряжением при выполнении операций по управлению ходом технологического процесса.
Основные факторы, учитываемые при создании РТК: резкое изменение конфигурации и габаритных размеров поковок (требования к конструкциям схватов), контроль положения поковок в штампе, смазка гравюр штампов, контроль температуры поковок, синхронизация работы технологического оборудования (нагревательные устройства, штамповочные и обрезные прессы, передающие устройства и т. д.).
При рассмотрении особенностей размещения ПР в кузнечных цехах следует иметь в виду, что согласно существующим нормам на проектирование подобных цехов [13] оборудование располагается с довольно значительными разрывами между соседними
Рис. 7.2. Схема расположения штамповочных молотов, нагревательных устройств и обрезных прессов:
а, м 0,7 0,8 1 1,2 в, м . ... 0,8 1 1,2 1,4
44ис. 7.3. Типовые структуры робототехнических "линий горячей объемной штамповки: / — индукционный нагреватель; 2 — КГШП; 3 — транспортер; 4 — СПУ ПР; 5 — тара для облоя; 6 — обрезной пресс; 7 — СПУ линии; 8 — тара для заготовокис. 7.3. Типовые структуры робототехнических "линий горячей объемной штамповки: / — индукционный нагреватель; 2 — КГШП; 3 — транспортер; 4 — СПУ ПР; 5 — тара для облоя; 6 — обрезной пресс; 7 — СПУ линии; 8 — тара для заготовокагрегатами. Это приводит к тому, что ПР свободно располагаются перед фронтальными сторонами прессов, но требуется, как правило, транспортно-конвейерная система для передачи заготовок с позиции на позицию.
4
4
ис. 7.3. Типовые структуры робототехнических "линий горячей объемной штамповки: / — индукционный нагреватель; 2 — КГШП; 3 — транспортер; 4 — СПУ ПР; 5 — тара для облоя; 6 — обрезной пресс; 7 — СПУ линии; 8 — тара для заготовок
ис. 7.3. Типовые структуры робототехнических "линий горячей объемной штамповки: / — индукционный нагреватель; 2 — КГШП; 3 — транспортер; 4 — СПУ ПР; 5 — тара для облоя; 6 — обрезной пресс; 7 — СПУ линии; 8 — тара для заготовок
Из всего многообразия кузнечно-прессового оборудования наиболее перспективными для роботизации признаны линии штамповки на кривошипных горячештамповочных прессах (КГШП) различных усилий. Подобные линии строятся по схеме: индуктор — КГШП — обрезной пресс. Роботизацией охватываются позиции у всех перечисленных агрегатов.
Схема расположения на участках штамповочных молотов 2, нагревательных устройств 1 и обрезных прессов 3 показана на рис. 7.2.
На рис. 7.3 представлены типовые структуры РТК на основе линий КГШП. Схемы приведенных РТК взяты из установившихся компоновок линий в действующих производствах. На рис. 7.3, а показан РТК с применением робота-штамповщика II и роботов- обрезчиков III и IV. Особенностью подобной линии является введение робота-перекладчика /, захватывающего нагретую в индукторе поковку и устанавливающего ее на осадочную площадку штампа КГШП.
На рис. 7.3, б показана та же схема, но с применением транспортеров для межпозиционной передачи заготовок. Подобную схему можно рекомендовать при крупносерийном или массовом выпуске изделий, когда транспортеры обеспечивают постоянную и надежную ориентацию полуфабрикатов в процессе транспортирования. В вышеприведенных схемах индукционные нагревательные устройства загружаются вручную нагревальщиками.
^^zzzzz^zzzz^zzzzz^zzzzz^^^zzzzz^zzzz^zzzzz^zzzzz^123123Вес падающих частей, (кН) (тс)Размеры, мАабвг4,95,50,80,71,51,57,355,50,80,71,51,59,805,51,00,82,02,014,706,51.00,82,02,019,606,51,20,82,02,0Вес падающих частей, (кН) (тс)Размеры, мАабвг4,95,50,80,71,51,57,355,50,80,71,51,59,805,51,00,82,02,014,706,51.00,82,02,019,606,51,20,82,02,0Вес падающих частей, (кН) (тс)Размеры, мАабвг24,506,51,20,82,02,029,407,51,41,03,03,039,207,51,41,03,03,049,007,51,81,24,04,058,807,51,81,24,04,0Вес падающих частей, (кН) (тс)Размеры, мАабвг24,506,51,20,82,02,029,407,51,41,03,03,039,207,51,41,03,03,049,007,51,81,24,04,058,807,51,81,24,04,0Рис. ЧА. Схема расположения штамповочных молотов, фрикционных прессов, нагревательных устройств, обрезных прессов и смежного оборудования: / — штамповочный молот; 2 — фрикционный пресс; 5 — нагревательное устройство; 4 — обрезной пресс
^^zzzzz^zzzz^zzzzz^zzzzz^
^^zzzzz^zzzz^zzzzz^zzzzz^
123
123
Вес падающих частей, (кН) (тс)
Размеры, м
А
а
б
в
г
4,9
5,5
0,8
0,7
1,5
1,5
7,35
5,5
0,8
0,7
1,5
1,5
9,80
5,5
1,0
0,8
2,0
2,0
14,70
6,5
1.0
0,8
2,0
2,0
19,60
6,5
1,2
0,8
2,0
2,0
Вес падающих частей, (кН) (тс)
Размеры, м
А
а
б
в
г
4,9
5,5
0,8
0,7
1,5
1,5
7,35
5,5
0,8
0,7
1,5
1,5
9,80
5,5
1,0
0,8
2,0
2,0
14,70
6,5
1.0
0,8
2,0
2,0
19,60
6,5
1,2
0,8
2,0
2,0
Вес падающих частей, (кН) (тс)
Размеры, м
А
а
б
в
г
24,50
6,5
1,2
0,8
2,0
2,0
29,40
7,5
1,4
1,0
3,0
3,0
39,20
7,5
1,4
1,0
3,0
3,0
49,00
7,5
1,8
1,2
4,0
4,0
58,80
7,5
1,8
1,2
4,0
4,0
Вес падающих частей, (кН) (тс)
Размеры, м
А
а
б
в
г
24,50
6,5
1,2
0,8
2,0
2,0
29,40
7,5
1,4
1,0
3,0
3,0
39,20
7,5
1,4
1,0
3,0
3,0
49,00
7,5
1,8
1,2
4,0
4,0
58,80
7,5
1,8
1,2
4,0
4,0
На рис. 7.3, в показаны полностью роботизированные линии КГШП с применением роботов I для загрузки индукционных нагревателей.
Наиболее перспективной и прогрессивной структурой РТК на линиях КГШП является схема (рис. 7.3, г), принципиальной особенностью которой является введение обрезного (правочного) ручья в штамп на КГШП. Такая схема возможна только на основании применения робота III, рука которого входит в рабочую зону КГШП через боковой проем, что недопустимо по технике безопасности для человека. Такая схема позволяет в 2 раза и более увеличить производительность и исключить обрезной пресс из линий. Схемы расположения на участках штамповочных молотов, фрикционных прессов, нагревательных устройств, обрезных прессов и смежного оборудования показаны на рис. 7.4.
СТРУКТУРЫ РОБОТОТЕХНИЧЕСКИХ КОМПЛЕКСОВ В ЛИСТОШТАМПОВОЧНЫХ ЦЕХАХ
Типовые структуры РТК на основе робота «Ритм-01» * Основными факторами, определяющими структуры РТК, являются операционность деталей; непрерывность или прерывность технологических процессов, т. е. наличие вспомогательных технологических операций, требующих удаления детали с позиций обработки на другие производственные участки (отжиг, зачистка, промывка); серийность, программа выпуска деталей; количество запусков деталей в определенный период; изменение формы заготовок в процессе обработки. РТК на основе робота «Ритм-01» компонуются в сочетании с прессами открытого типа усилием от 61,7 до 245 кН. Структуры могуг быть двух видов: робототехническая позиция и робототехническая линия,
I Робототехническая позиция может быть выполнена в двух вариантах: один робот-загрузчик и автоматическое удаление штамповки, например сдув (рис. 7.5, а), и два робота, загрузчик и разгрузчик (рис. 7.5, б). Они служат для однооперационной Штамповки деталей массой до 0,1 кг с габаритными размерами от 10x20 до 130X130 мм. Комплексы оснащаются подающими устройствами, обеспечивающими практически непрерывную работу. Такими свойствами обладают, например, шиберные и двухпозиционные подающие устройства.
Робототехническая линия (рис. 7.5, в) предназначена для двух- И более операционной штамповки деталей. В состав линии (секции) входят четыре робота (при двухоперационной штамповке). Робот I осуществляет загрузку заготовки из подающего устройства в зону выполнения первой операции, роботы 11 и 111 выполняют передачу полуфабриката от первого пресса ко второму, причем передачу можно осуществлять или с помощью приемно-передающего устройства, или непосредственно из руки робота 1 в руку робота 11. Робот IV разгружает штамп и укладывает штамповку в тару. Если конструкция штампа позволяет, то можно удалять штамповку автоматически.
Робототехническая позиция (рис. 7.6, а) служит для однооперационной штамповки деталей массой до 0,5 кг и габаритными размерами от 50x50 до 250x250 мм. С учетом высокого быстро- ""оснащается поворотным двухместным пода-Робототехническая позиция (рис. 7.6, а) служит для однооперационной штамповки деталей массой до 0,5 кг и габаритными размерами от 50x50 до 250x250 мм. С учетом высокого быстро- ""оснащается поворотным двухместным пода-действия ПР позициядействия ПР позицияРис. 7.5. Схемы технологических планировок РТК с применением роботов«Ритм-01.01» :/ — робот; 2 — пресс; 3 — штамп; 4 — система автоматического удаления штампуемой детали н облоя; 5 — пульт управления комплексом; 6 — подающее устройство; 7 — тара; 8 — прием- но-передающее устройствоРис. 7.5. Схемы технологических планировок РТК с применением роботов«Ритм-01.01» :/ — робот; 2 — пресс; 3 — штамп; 4 — система автоматического удаления штампуемой детали н облоя; 5 — пульт управления комплексом; 6 — подающее устройство; 7 — тара; 8 — прием- но-передающее устройствов)в)Типовые структуры РТК на основе робота «Ритм-05.01» . РТК на основе робота «Ритм-05.01» используют применительно к однокривошипным открытым прессам простого действия усилием от 98 до 980 кН. Комплексы на основе подобных машин могут быть Двух структур: робототехническая позиция и робототехническая линия.
Робототехническая позиция (рис. 7.6, а) служит для однооперационной штамповки деталей массой до 0,5 кг и габаритными размерами от 50x50 до 250x250 мм. С учетом высокого быстро- ""оснащается поворотным двухместным пода-
Робототехническая позиция (рис. 7.6, а) служит для однооперационной штамповки деталей массой до 0,5 кг и габаритными размерами от 50x50 до 250x250 мм. С учетом высокого быстро- ""оснащается поворотным двухместным пода-
действия ПР позиция
действия ПР позиция
Рис. 7.5. Схемы технологических планировок РТК с применением роботов
«Ритм-01.01» :
/ — робот; 2 — пресс; 3 — штамп; 4 — система автоматического удаления штампуемой детали н облоя; 5 — пульт управления комплексом; 6 — подающее устройство; 7 — тара; 8 — прием- но-передающее устройство
Рис. 7.5. Схемы технологических планировок РТК с применением роботов
«Ритм-01.01» :
/ — робот; 2 — пресс; 3 — штамп; 4 — система автоматического удаления штампуемой детали н облоя; 5 — пульт управления комплексом; 6 — подающее устройство; 7 — тара; 8 — прием- но-передающее устройство
в)
в)
Рис. 7.6. Структуры РТК на основе робота «Ритм-05.01»:Рис. 7.6. Структуры РТК на основе робота «Ритм-05.01»:
Рис. 7.6. Структуры РТК на основе робота «Ритм-05.01»:
Рис. 7.6. Структуры РТК на основе робота «Ритм-05.01»:
5)
/ — робот; 2 — подающее устройство; 3 — штамп; 4 — пресс; 5 — тара для штамповок; 6 — СПУ ПР; 7 — шкаф электроавтоматики; 8 — приемно-передающее устройство; 9 — транспортер
ющим устройством для обеспечения непрерывной работы РТК. Подающее устройство имеет рабочую позицию и позицию укладки. Схему позиций устройства производят автоматически.
Робототехническая линия (рис. 7.6, б) служит для двух- и более операционной штамповки деталей таких же размерных и весовых характеристик, как и на позиции. Организуется из отдельных позиций, связующим звеном которых служит специальное передающее устройство, которое обеспечивает приемку и фиксацию детали после съема ее рукой первого ПР и передачи в зону захвата второго ПР и т. д.
Время срабатывания передающего устройства должно быть меньше времени цикла робота, т. е. около 3—4 с.
Типовые структуры РТК на основе роботов «Циклон-3.01» и «Циклон-5.01» . Основные структуры РТК на основе роботов типа «Циклон» можно подразделить на две основные группы: РТК на основе прессов открытого типа усилием от 392 до 1570 кН и РТК на основе прессов закрытого типа (двухстоечных) усилием 1570 кН и более. Габаритные размеры деталей не должны превышать 600X600 мм и масса заготовок — 5 кг.
Робототехническую позицию, включающую открытые прессы, предназначают для проведения разделительной или формообразующей штамповочной операции в простых и совмещенных штампах (рис. 7.7, а). Структура РТК учитывает размерную взаимосвязь пресса и ПР, характеризующихся наибольшим расстоянием между центром стола пресса и центром вращения рук ПР, которое определяется максимально возможным вылетом руки и составляет около 1500 мм. Габаритные размеры столов прессов увеличиваются с ростом усилия пресса. Это приводит к уменьшению расстояния между столом пресса и основанием манипулятора. Для обслуживания технологического оборудования и штамповой оснастки, замены штампов и т. д. необходим свободный доступ на- 305
ладчиков к прессу, Что достигается откатом манипулятора с помощью специального устройства.
Робототехническая линия, включающая открытые прессы, предназначается для штамповки деталей за несколько операций без вспомогательных технологических операций (термообработка, промывка). Линия структурно состоит из двух и большего числа позиций, связанных между собой ориентирующе-передающими устройствами (рис. 7.7, в). Эти устройства предназначены для фиксации полуфабриката и передачи его с позиции на позицию. При построении линии основным размерным параметром является расстояние между осями прессов. Этот размер, устанавливаемый соответствующими нормативами, определяется как расстояние между боковыми сторонами прессов плюс габаритный размер пресса. Для различных прессов это расстояние различно, что приводит к необходимости применять ориентирующее устройство, имеющее горизонтальное смещение. Для открытых прессов величина смещения составляет 300 мм.
617 980900 850700 700617 980900 850700 7001600 2500860 825600 5001600 2500860 825600 500При установке прессов в линию необходимо учитывать, что высота стола над уровнем пола в зависимости от усилий прессов разного типа различна.
617 980
900 850
700 700
617 980
900 850
700 700
1600 2500
860 825
600 500
1600 2500
860 825
600 500
Усилие пресса, кН
Высота стола над уровнем пола, мм: наибольшая наименьшая
Из приведенных данных видно, что перепад высоты столов для прессов усилием 617—2500 кН может достигать 400 мм. Однако, учитывая, что высоты штампов возрастают с увеличением мощности пресса, перепад высот при установке штампов на прессы несколько уменьшится и составит 150—200 мм. Для компенсации разницы высот поверхностей разъемов штампов ориентирующее устройство должно иметь возможность вертикального перемещения до 200 мм.
Робототехнический участок, включающий открытые прессы, предназначен для штамповки деталей за две операции либо од-
Рис. 7.7. Структуры РТК на основе робота «Циклон-3.01» («Циклон-5.01») и открытых прессов типа КВ-232 (а,б) н К2130Б (в):/ — ПР; 2 — подающее устройство; 3 — пресс; 4 — тара для штамповок; 5 — СПУ ПР;6 — устройство контроля наличия штамповки в схвате; 7 — ориентирующе-передающее устройствоРис. 7.7. Структуры РТК на основе робота «Циклон-3.01» («Циклон-5.01») и открытых прессов типа КВ-232 (а,б) н К2130Б (в):/ — ПР; 2 — подающее устройство; 3 — пресс; 4 — тара для штамповок; 5 — СПУ ПР;6 — устройство контроля наличия штамповки в схвате; 7 — ориентирующе-передающее устройство
Рис. 7.7. Структуры РТК на основе робота «Циклон-3.01» («Циклон-5.01») и открытых прессов типа КВ-232 (а,б) н К2130Б (в):
/ — ПР; 2 — подающее устройство; 3 — пресс; 4 — тара для штамповок; 5 — СПУ ПР;
6 — устройство контроля наличия штамповки в схвате; 7 — ориентирующе-передающее устройство
Рис. 7.7. Структуры РТК на основе робота «Циклон-3.01» («Циклон-5.01») и открытых прессов типа КВ-232 (а,б) н К2130Б (в):
/ — ПР; 2 — подающее устройство; 3 — пресс; 4 — тара для штамповок; 5 — СПУ ПР;
6 — устройство контроля наличия штамповки в схвате; 7 — ориентирующе-передающее устройство
новременной штамповки двухоперационных деталей (рис. 7.7, б). В первом случае необходимо автоматическое удаление отштампованных деталей из второго штампа. Деталь после окончания второй операции можно удалить с помощью ПР (правая рука) при создании схвата, способного захватить полуфабрикаты после первой и второй операций. Во втором случае необходимо наличие Двух подающих устройств. Структура рекомендуется для условий мелкосерийного производства.
Робототехнические позиции, включающие закрытые прессы, могут быть построены по следующим схемам: человек—пресс- робот (рис. 7.8, а), робот—пресс—человек (рис. 7.8, б), робот пресс—человек (рис. 7.8, в).
Структуру человек—пресс—робот применяют в случаях, когда конструкция ловителей и фиксаторов не может обеспечить надежную фиксацию исходной заготовки в штампе. Используется или однорукая модификация ПР, который выполняет роль съемщика детали из штампа (безотходная штамповка), или двурукая (съем детали и отходов с укладкой их в разные емкости).
Структуру робот—пресс—человек применяют в случаях, ког- да съем детали из штампа невозможно осуществить с помощью ПР, что бывает связано с конструктивными особенностями штамповок. При штамповке деталей за два или несколько переходов на одном закрытом прессе применяют структуры, показанные на рис. 7.8, а. При создании такого РТК следует учитывать, что закрытая высота обоих штампов Должна быть одинакова, поверхности разъемов штампов должны располагаться в одной плоскости, штам- 308
пы должны располагаться На одной продольной оси, совпадающей с осью пресса.
При необходимости возможно использование прессов закрытого типа для штамповки различных деталей на одном прессе (рис. 7.8, ду Роботы располагают с разных сторон пресса, они действуют независимо друг от друга, каждая пара ПР выполняет функции по загрузке заготовок и выгрузке, включение рабочего хода пресса после сигнала о выполнении всеми роботами программируемых движений.
Робототехнический участок, включающий закрытые прессы для одновременной штамповки дьух различных деталей за один переход, может иметь структуру, показанную на рис. 7.8, е. Руки ПР развернуты на 3,14 рад и каждая рука выполняет функцию загрузки-разгрузки. Такая структура наладывает определенное требование на штамповую оснастку, а именно: поверхности разъемов штампов должны располагаться в одной плоскости. При построении такой планировки -необходимо, чтобы центр вращения рук ПР располагался на линии, соединяющей центры прессов.
В робототехнических линиях, включающих закрытые прессы, в качестве основного элемента, на базе которого строятся подобные структуры, используется позиция робот—пресс—робот. В таких структурах работ-загрузчик через ориентирующе-передающее устройство передает полуфабрикат в зоны последующего робота— штамповщика.
Структуры РТК на основе роботов «Универсал-15.04» , «Уни- версал-15.06» и РПМ-25. Роботы данных моделей применяют
Рис. 7.9. Структуры РТК холодной штамповки на основе универсальных ПР:
1 — пресс двустоечный; 2 — ПР; 3 — подающее устройство; 4 — тара для штамповок;
5 — тара для высечки; 6 — штамп; 7 — транспортная система; 8 — СПУ ПР; 9 — шкаф электроавтоматики
только с закрытыми прессами усилием более 2000 кН, при этом РТК могут быть построены в виде робототехнической позиции или робототехнической линии. Использование ПР указанных моделей, оснащенных числовыми позиционными системами программного управления УПМ-772,^значительно расширяет технологические возможности РТК, позволяет создавать их более гибкими в переналадке. Это выражается в исключении из состава РТК подающих, ориентирующих и приемно-передающих устройств, поскольку ПР подобных типов позволяют брать и укладывать заготовки из стопы, кассет и т. п. с различных высотных уровней.
Робототехническая позиция (рис. 7.9, а) служит для однооперационной штамповки деталей с габаритными размерами более 500x500 мм и массой более 5 кг. В состав позиции входят один закрытый пресс и два ПР. Первый ПР захватывает заготовку из стопы и укладывает ее в штамп, второй ПР разгружает пресс и укладывает штамповки в стопу. При выполнении разделительных операций и наличии отходов, не удаляемых автоматически, отход удаляется ПР (захват одновременно отхода и штамповки), оснащенным специальным схватом.
Структура позиции может быть более сложной (рис. 7.9, б). Например, четыре робота РПМ-25 используют для выполнения трех штамповочных операций на одном прессе, что позволяет значительно сократить время обработки детали. Робототехническая линия, показанная на рис. 7.9, в, предназначена для многооперационной штамповки деталей с габаритными и массовыми характеристиками, указанными выше.
СТРУКТУРЫ РОБОТОТЕХНИЧЕСКИХ КОМПЛЕКСОВ НА ОСНОВЕ МАШИН ЛИТЬЯ ПОД ДАВЛЕНИЕМ
Дальнейшее внедрение средств автоматизации для машин литья под давлением МЛД связано с созданием как ПР, так и автоматических манипуляторов для заливки металла, смазки пресс-форм и пресс-камер, съема отливок. Эффективность автоматизации МЛД зависит от средств контроля стабильности технологических параметров: температуры заливаемого металла, продолжительности цикла, скорости и давления прессования и т. д. Поэтому необходимы как средства механизации, так и приборы контроля режимов работы машины. Применение ПР связано главным образом с извлечением отливок.
Влияние серийности и номенклатуры отливок имеет ту особенность, что чем меньше серия и больше номенклатура, тем более универсальным должны быть средства извлечения. С другой стороны, такие средства наиболее эффективны при роботизации последующих операций обрубки и удаления отливок. В условиях мелкосерийного производства это невыгодно, так как цикл получения отливки на МЛД значительно больше цикла обрубки, отсюда — неоправданное увеличение производственной площади 310
Рис. 7.10. Типовые структуры РТК иа основе машин литья под давлением:
/ — машина лнтья под давлением; 2 — СПУ ПР; 3 — ПР; 4 — обрубной пресс; 5 — склнз; 6 — тара для отливок; 7 — ванна для охлаждения; 8 — дозатор; 9 — тигельная раздаточная печь; 10 — шкафы управления технологическим процессом
и неполное использование обрубного оборудования. Поэтому применение РТК рационально на МЛД в крупносерийном производстве, где наибольшее значение придается сокращению транспортных операций. В зависимости от компоновки, состава и принятых решений по разгрузке МЛД автоматизированные комплексы можно подразделить на следующие типы: с применением горизонтальных или вертикальных прессов, со сбросом отливок в тару или на транспортер; с транспортерами и съемниками, снабженными заливаемыми стержнями.
На рис. 7.10 показаны типовые структуры РТК на основе МЛД. Робототехнический комплекс (рис. 7.10, а) построен на разгрузке МЛД роботом и сбросе отливок в тару, а РТК (рис. 7.10, б) —на разгрузке МЛД роботом, охлаждении отливок в специальном устройстве, установки отливки в пресс для обрубки облоя и литников.
СТРУКТУРЫ РОБОТОТЕХНИЧЕСКИХ КОМПЛЕКСОВ В МЕХАНИЧЕСКИХ ЦЕХАХ
Общие понятия. В отличие от структур РТК для заготовительных цехов, где в общем случае каждый ПР обслуживает одну технологическую машину, в механических цехах наблюдаются самые разнообразные структуры.
Это связано с основными производственными факторами, характеризующимися большими машинными временами, обеспечивающими возможность многостаночного обслуживания; многообразными организационно-техническими формами производства; большой протяженностью технологических маршрутов; многообразием типов металлорежущего оборудования и станочной оснастки; наличием многономенклатурного измерительного и контрольного инструмента; большими объемами и видами стружки,
Рис. 7.11. Типовые структуры РТК на. основе металлорежущего оборудования:
1 — подающее устройство; 2 — станок; 3 — ПР; 4 — приемное устройство; 5 — СП У ПР; 6 — шкаф электроавтоматики РТК; 7 — прнемио-передающее устройство
особенно на первых черновых операциях; наличием слесарных, разметочных, контрольных и других операций по технологическому потоку и т. д.
Выбор структур РТК в общем виде производится с учетом анализа деталей, подлежащих механической обработке; действующего технологического процесса; основного технологического оборудования с учетом возможности его автоматизации; организационных видов производств (серийность, партионность, межстаночное транспортирование); параметров ПР; технико-экономических показателей различных вариантов роботизации.
Основные схемы РТК регламентируются отраслевыми стандартами и включают следующие группы оборудования: транспортное оборудование (подающее, приемно-передающее, приемное устройство), основное технологическое оборудование (станки, оснастка станков, режущий инструмент), оборудование системы управления (электро-, гидро-, пневмоэлементы автоматики, пульт управления), оборудование, приборы, инструменты технического контроля деталей (специальное оборудование, контрольно-измерительные полуавтоматы), нестандартное оборудование (кантователь, ориентатор, магазин со схватом).^
На рис. 7.11 показаны основные структуры указанных выше схем. Структуры построены по схемам: позиция (рис. 7.11, а), участок (рис. 7.11, б, в), линия (рис. 7.11, г, ду
Анализ показывает, что наиболее рациональными являются схемы, отвечающие требованиям охраны труда для наладчика- оператора при проведении работ по обучению ПР, смене инструмента, оснастки, профилактическим работам и обеспечивающим наличие свободных зон для подхода к оборудованию. 31?
Типовые структуры РТК на участках станков с ЧПУ-ЭВМ. Выбор ПР определяется возможностью стыковки его с ЭВМ той или иной модели отраслевого типажа. Отметим, что участок станков с ЧПУ—ЭВМ включает как программные станки, так if станки других типов.
Целесообразность организации РТК на участке станков с ЧПУ—ЭВМ определяется в результате многофакторного анализа, учитывающего специфику построения участка, в том числе: технологический маршрут обрабатываемых предметов и состав операций (подготовка баз, установка предметов в оснастку с ручной выверкой, слесарная обработка на рабочих местах и т. д.), состав оборудования, планировку оборудования, автоматизированную транспортно-складскую систему АТСС и т. д.
На рис. 7.12 показаны некоторые типовые структуры^РТК. Характерной их особенностью является наличие следующего вспомогательного оборудования: магазина схватов 10 (предусматривается автоматическая схема захватных устройств при подаче АТСС новых деталей, или резкого изменения конфигурации обработанных деталей), кантователя-ориентатора 7 (предусматривается осуществлять непрерывный комплекс движений по загрузке-разгрузке оборудования; смена баз может потребовать перехват детали ПР), накопителя 11 (складирование полуфабрикатов в тару без загрузки тары, связанной с АТСС), моечной машины
Рис. 7.12. Типовые структуры РТК на участках станков ЧПУ—ЭВМ:
1 — автоматизированная транспортио-складская система (АТСС); 2 — приемный стол; 3 — СПУ ПР; 4 — устройство управления РТК; 5 — устройство ПУ станка; 6 — станок; 7 — кантователь-ориентатор; 8 — ПР; 9 — моечная машина; 10 — магазин схватов; // — промежуточная тара; 12 — контрольно-измерительная машина; 13 — промежуточный приемно-передающий стол; 14 — направляющие
контрольно-измерительной машины 12. Структуры разработанных РТК построены с использованием стационарных напольных и подвижных ПР. Рассмотрим кратко некоторые из них.
Робототехническая позиция (рис. 7.12, а) включает напольный ПР стационарного типа. Заготовка поступает в таре, которую располагают на приемном столе 2 АТСС. Обработанные детали складируют в тару, которая также функционирует ^ системе АТСС. Управление ПР и обеспечение взаимосвязи всех устройств обеспечивается СПУ 3.
Робототехнический участок (рис. 7.12, б) включает напольный ПР стационарного типа. Заготовки поступают в таре. Обработанные детали складируют в тару АТСС. Станки расставлены в определенной последовательности операций согласно технологическому маршруту. Промежуточные устройства 11 предназначены для межоперационного складирования внутри участка. Управление ПР и обеспечение взаимосвязи всех устройств обеспечивается СПУ.
Робототехническая линия (рис. 7.12, в) включает напольный ПР подвижного типа. Детали на обработку поступают в спутниках. АТСС подает заготовки и спутники, которые собирают вручную на рабочем месте. Далее ПР захватывает спутник и осуществляет последовательный обход станков 6 по заданному технологическому маршруту. Обработанные детали-спутники складируют на столе и отправляют на последующие операции (мойка, контроль).
СТРУКТУРЫ РОБОТОТЕХНИЧЕСКИХ КОМПЛЕКСОВ НА СБОРОЧНО-СВАРОЧНЫХ ОПЕРАЦИЯХ
РТК для загрузки-разгрузки сварочных полуавтоматов. РТК на сборочно-сварочных операциях можно подразделить на следующие виды: комплексы с использованием универсальных ПР для загрузки-разгрузки сварочных полуавтоматов, комплексы с использованием универсальных ПР для загрузки-разгрузки контактных сварочных машин, комплексы с использованием специализированных и универсальных ПР для автоматизации про-
6)6)Рис. 7.13. Типовые структуры^ РТК при~обслуживаиии*свардчиых"полуавтоматов' (дуговая сварка):Рис. 7.13. Типовые структуры^ РТК при~обслуживаиии*свардчиых"полуавтоматов' (дуговая сварка):/ — магазии-питатель; 2 — сварочный полуавтомат; 3 — ПР; 4 — приемное устройство;5 — СПУ ПР; 6 — шкаф электроавтоматики; 7 — источник тока; 8 — приемно-передающее устройство/ — магазии-питатель; 2 — сварочный полуавтомат; 3 — ПР; 4 — приемное устройство;5 — СПУ ПР; 6 — шкаф электроавтоматики; 7 — источник тока; 8 — приемно-передающее устройство
6)
6)
Рис. 7.13. Типовые структуры^ РТК при~обслуживаиии*свардчиых"полуавтоматов' (дуговая сварка):
Рис. 7.13. Типовые структуры^ РТК при~обслуживаиии*свардчиых"полуавтоматов' (дуговая сварка):
/ — магазии-питатель; 2 — сварочный полуавтомат; 3 — ПР; 4 — приемное устройство;
5 — СПУ ПР; 6 — шкаф электроавтоматики; 7 — источник тока; 8 — приемно-передающее устройство
/ — магазии-питатель; 2 — сварочный полуавтомат; 3 — ПР; 4 — приемное устройство;
5 — СПУ ПР; 6 — шкаф электроавтоматики; 7 — источник тока; 8 — приемно-передающее устройство
Рис. 7.14. Типовые структуры РТК при обслуживании контактных сварочных машин: / — контактная сварочная машина; 2 — ПР; 3 — тара для сварочных узлов; 4 — шкаф управления РТК; 5 — магазин-питатель; 6 — СПУ ПР
цесса дуговой сварки, комплексы с использованием специали- зированных и универсальных ПР для автоматизации процесса контактной сварки.
Робот используется на вспомогательных операциях и управляет ходом технологического процесса. На рис. 7.13 показаны типовые структуры РТК.
Структуры РТК для загрузки-разгрузки сварочных полуавтоматов могут быть построены по следующим схемам: робототехническая позиция типа робот —сварочный полуавтомат для дуговой сварки (рис. 7.13, а), робототехнический участок типа робот — сварочный полуавтомат № 1 —сварочный полуавтомат № 2 (рис. 7.13, б), робототехническая линия робот—сварочный полуавтомат—робот—сварочный полуавтомат и т. п. (рис. 7.13, в).
РТК для загрузки-разгрузки контактных сварочных машин. Подобные РТК функционируют по схеме робототехнической позиции. Пример структуры РТК показан на рис. 7.14, а. Робот 2 берет первую деталь из магазина-питателя 5 и устанавливает ее в приспособление, закрепленное на нижнем электроде машины 1 для рельефной сварки. Затем робот 2 берет вторую деталь из соответствующего магазина-питателя 5 и устанавливает ее в первую деталь. По команде от системы программного управления 6 робота включается сварочная машина 1. По окончании сварки ПР снимает сваренный узел и укладывает в тару 3.
Другой пример подобной структуры ПР (рис. 7.14, б) можно показать на операции, где ПР используется для позиционирования свариваемого узла в точках сварки на электродах машины и перемещения на шаг между точками по программе. В этом случае ПР захватывает приспособление с закрепленными деталями из специального магазина-питателя 5 и устанавливает на нижний электрод машины 1. По команде ПР включается сварочная машина и производится сварка первой точки. После окончания сварки (подъема электрода) ПР перемещает приспособление иа заданный шаг
Рис. 7.15. Типовые структуры «РТК-позиции» на операциях дуговой сварки:Рис. 7.15. Типовые структуры «РТК-позиции» на операциях дуговой сварки:а — РТК струйной загрузкой-разгрузкой робота-сварщика; / — приспособление-спутник; 2 — подъемный стол с приводными роликами; 3, 4 — тара для сваренных узлов н деталей; 5 — стол для сборки узла; 6 — источник питания тока; 7 — автоматический позиционер-кантователь; 9 — шкаф управления РТК; 10 — СПУ ПР; б — РТК с автоматической загрузкой-разгрузкой робота-сварщика; / — направляющие для перемещения столов; 2 — шкаф управления сварочным оборудованием; 3 — автоматический^ познционер-кантователь; 4 — приспособление-спутник; 5 — тара для сваренных узлов;
Рис. 7.15. Типовые структуры «РТК-позиции» на операциях дуговой сварки:
Рис. 7.15. Типовые структуры «РТК-позиции» на операциях дуговой сварки:
6 — подвесной конвейер; 7 — источник питания для сварки; 8 — ПР; 9 — СПУк ПР
и дает команду на сварку и т. Д. В конце цикла ПР укладывает приспособление со сваренным узлом на специальный приемник >3.
РТК на операциях дуговой сварки. Для дуговой сварки рекомендуется применять следующие структуры: робототехнические позиции и робототехнические линии.
Робототехническая позиция (рис. 7.15, а) применяется при сварке деталей в условиях мелкосерийного и крупносерийного производств. Схема функционирования позиции (рис. 7.15, а) основана на загрузке-разгрузке приспособления вручную и включении рабочего цикла сварочного ПР. В зависимости от длины и конфигурации сварочных швов (или сварочного шва)
Рис. 7.16. Типовая структура «РТК—линия» на операциях дуговой сварки:
/ — источник питания; 2 — шкаф управления сварочным оборудованием; 3 — СПУ ПР; 4 — робот-сварщик; 5 — приспособление-спутник; 6 — тара для сваренных узлов; 7 — тара для деталей; 8 — робот-сборщик; 9 — автоматический кантователь; 10 — ручной кантователь; // — автоматический кантователь; 12 — система ПУ РТК; 13 — подъемный стол с приводными g роликами; 14 — ручной позиционер; 15 — приводной рольганг; 16 — автоматический кантователь (в двух плоскостях)
рис. 7.17. Типовая структура «РТК—линии» на операциях контактной (точечной) сварки:/ — роботы-сварщики; 2 — шаговый конвейер; 3 — изделиярис. 7.17. Типовая структура «РТК—линии» на операциях контактной (точечной) сварки:/ — роботы-сварщики; 2 — шаговый конвейер; 3 — изделия
рис. 7.17. Типовая структура «РТК—линии» на операциях контактной (точечной) сварки:
/ — роботы-сварщики; 2 — шаговый конвейер; 3 — изделия
рис. 7.17. Типовая структура «РТК—линии» на операциях контактной (точечной) сварки:
/ — роботы-сварщики; 2 — шаговый конвейер; 3 — изделия
позиция может быть одноманипуляторная или многоманипуляторная. В последнем случае управление ПР осуществляется от единой системы программного управления. На рис. 7.15, б показана схема позиции, где робот-сварщик сваривает одинаковые или разные изделия, попеременно подаваемые в рабочую зону ПР.
На рис. 7.16 показана схема робототехнической линии, рекомендуемая в условиях серийного, крупносерийного и массового производства. Работа линии начинается с позиции сборки детали, если требуется, то с прихваткой определенных деталей. Сборку осуществляют в приспособлениях-спутниках 5. Автоматизированная транспортная система перемещает и подает приспособления- спутники 5 на сварочные позиции. Роботы-сварщики 4 могут работать по параллельным или последовательным схемам. После сварки приспособления-спутники 5 подаются на позицию разборки вручную.
Позиции сборки и разборки приспособлений в условиях крупносерийного и массового производств могут быть роботизированы на основе универсальных ПР. В этом случае необходимо создание специальных магазинов-питателей для подачи деталей ПР. ^
РТК на операциях контактной сварки. РТК на подобных операциях строятся по схеме «линии». Свариваемый узел перемещается на шаговом конвейере. Сварка производится клещами, закрепленными на руке ПР.
Структуру подобного РТК (рис. 7.17) применяют для сварки кузовов автомашины в 336 точках. По технологическому процессу занято 16 рабочих в одну смену. Роботизированный процесс построен на 16 сварочных постах, каждый из которых имеет соответствующую программу по сварке п точек. Схема работы робота «Универсал-60.02», примененного в данном случае, следующая: сборочно-сварочное приспособление с закрепленным кузовом перемещается на пост сварки и фиксируется с точностью ±1,0 мм; робот на позициях I и II выполняет сварку 50 точек; робот на позиция /// и IV выполняет сварку 63 точек и т. д.
1Л. СТРУКТУРЫ РОБОТОТЕХНИЧЕСКИХ КОМПЛЕКСОВ В ТЕРМИЧЕСКИХ ЦЕХАХ
Термическая обработка зубчатых колес с применением роботов. Технологические процессы термической обработки отличаются многообразием самих процессов, оборудования, конфигураций деталей, материалов, организационных видов производств и т. д.
Из всего многообразия термического оборудования рассматриваются закалочные прессы для обработки зубчатых колес. Сущность процесса заключается в том, что нагретое колесо зажимают между частями штампа, укрепленного на прессе, и автоматически погружают в закалочную жидкость. Подобная закалка является одной из тяжелых и монотонных операций в термических цехах, так как связана с поштучным переносом нагретых деталей от печи к прессу при сохранении постоянного высокого темпа закалки на протяжении всей рабочей смены.
Оценка различных вариантов автоматизации вспомогательных работ при термообработке показывает, что РТК рационально создавать в условиях большой номенклатуры деталей с небольшой серийностью.
На основании анализа различных структур РТК, использующих различное основное технологическое оборудование (нагревательные печи), было выделено для анализа четыре варианта типовых структур (рис. 7.18).
Было установлено, что РТК могут быть созданы на базе многокамерных и методических печей и ПР, рассмотренных ранее: роботов типа «Универсал-5» — на загрузке деталей, роботов типа «Универсал-15» —на выгрузке деталей из печи и закалке в прессе.
Расчеты, проведенные при оценке РТК, показали следующее: наиболее целесообразно применение РТК с включением двух закалочных прессов, обеспечивающих закалку зубчатых колес в заданном объеме; вариант роботизации карусельной печи может быть реализован только при выполнении роботом разгрузки и загрузки печи во время ее остановки с обслуживанием закалочных прессов и другого оборудования; варианты РТК, содержащие камерную (рис. 7.18, а) и толкательную печи (рис. 7.18, в), могут быть реализованы только при условии создания системы перемещения поддонов, на которых производится нагрев зубчатых колес массой более 100 кг и температурой, доходящей до 773—873 К от места разгрузки до места загрузки.
Наиболее предпочтительным вариантом является РТК, содержащий конвейерную печь, два закалочных пресса и два ПР. Преимущества подобного РТК: возможность исключения поиска зубчатого колеса в рабочем пространстве печи, отсутствие поддонов.
Термическая обработка инструмента с применением роботов. В настоящее время разработан и внедрен РТК, предназначенный 318
структура РТК. Порядок егоструктура РТК. Порядок егоРис. 7.16. Типовая структура И1 к для sas калки, инструмента;
структура РТК. Порядок его
структура РТК. Порядок его
— магазин кассет; 2 — ванна подогрева с позицией сушки кассеты; 3 — ванны окончательного нагрева; 4 — ваииа отпуска; 5 —^ваина охлаждения; 6 — моечная камера; 7 — приемное устройство;
8 — ПР; 9 — шкаф электроавтоматики; 10 — СПУ ПР; 11 — электропривод ти- ристорный
для закалки режущего инструмента с трех- или двукратным отпуском. В обоих случаях цикл ПР равен 13 мин. Отличие в том, что в ванне в зоне охлаждения задействовано по три позиции вместо четырех- или трехкратном отпуске. Парис. 7.19 показана работы следующий: на позиции 2a
(предварительная сушка кассет с инструментами) расположена сухая кассета со сверлами. На позициях 46 —г и 5a—г, 6 расположены пустые кассеты.^На позициях 26, 3,7 — кассет нет; работа начинается с позиции 2a — ПР забирает сухую кассету со сверлами и переставляет на позиции 26 для предварительного нагрева (продолжительность —б^мин). Далее ПР забирает кассету из магазина и устанавливает ее в позиции 2a. Затем разгружается позиция 26 и передается на позицию <3 (окончательный нагрев); по истечении 3 мин кассета с позиции 3 передается на 3 мин в ванну отпуска позиции 4a. Затем ПР переставляет пустые кассеты на позициях 46—г, 5a—г, забирает кассету с позиции 6 (мойка) и выдает кассету на приемное устройство позиции 7. После этого — захват кассеты с позиции 4a и перестановка в позиции 5a (зона охлаждения). Далее ПР возвращается в позицию 2a, разгружает ее и переставляет заполненную кассету в позицию 26 и т. д.
Первая заполненная кассета появится на приемном устройстве в позиции 7 через девять циклов, т. е. через 13-9 = 117 мин. За восемь циклов до окончания работы (через 104 мин) предусматривается загрузка магазина пустыми кассетами. Это делается для того, чтобы восемь заполненных сверлами кассет (позиции 46—г, 5a—г, 6) за эти восемь циклов вышли бы на приемное устройство позиции 7.
Специфика требований к выполнению всех режимов закалки
основана на контроле наличия кассет на всех позициях и выдаче сигналов о входе руки ПР в зону позиции 1, 2a, 46—г, 5a—г, 6 при наличии^ кассет и разрешении на вход в зоны 26, 3, 4a, 7 руки ПР при отсутствии кассет. Реле времени, встроенное в позиции 26, 3 и 4a, обеспечивают режим ожидания ПР от 5 мин 45 с на позиции, 26, 3 мин — на позиции 3 и 1 мин на позиции 4a.
Структура специального РТК укладки дротов стекла в печи отжига. Технологический процесс загрузки печей отжига (леров)
Ц^грис. 7.20. Структура РТК у печи отжига стекла:
/ — печи отжига; 2 — полоса стекла после варки в печи; 3 — позиция откола дрота стекла; 4 — транспортная система подачи дрота иа РТК; 5 — ПР; 6 — СПУ ПР; 7 — приемный стол; У — шкаф электроавтоматики
под печи в стопу. Всепод печи в стопу. Всезаготовками (дротами) из стекла предусматривает варку стекла в стеклоформирующей машине, отломку на конвейере от раскаленной полосы дрота стекла (предусматривается три типоразмера от 900X130X16 до 900 X 130 X46 мм), транспортирование дрота к двум лерам и попеременную загрузку леров дротами с укладкой их на движущийся непрерывно
под печи в стопу. Все
под печи в стопу. Все
операции по отломке дротов, их переносу к лерам, загрузке леров выполнялись вручную рабочим. На рис. 7.20 показана структура автоматизированного комплекса, состоящего из системы автоматической отломки дротов на конвейере 2 и доставки их автооператором на приемный стол 7. РТК включает два робота «Универсал-5.01», работающих в позиционных режимах, и модернизированные печи отжига (подъем и опускание заслонки —по командам от ПР). Так как приемный стол расположен между лерами, то ПР также попеременно захватывает дроты и укладывает их в стопы на движущихся подах печей.
И Шифрин Я. А. и др\
Глава;
ПРИМЕРЫ ПРИМЕНЕНИЯ ПРОМЫШЛЕННЫХ РОБОТОВ
ОЦЕНКА целесообразности внедрения пр
Основные понятия и определения. Обзор сущестующего типажа ПР 11, 5, 461 по данным отечественной и зарубежной печати показывает, что не менее 95 % всех выпущенных ПР относится к классу подъемно-транспортных. В данной главе будут изложены технологические основы построения РТК на основе подобных жесткопрограммируемых ПР, которые представляют собой автономные машины, выполняющие все вспомогательные движения (приемы) как по загрузке-разгрузке технологического оборудования, работающего в полуавтоматическом цикле, так и движения (приемы) по складированию, межоперационному и межстаночному транспортированию предметов. Таким образом, на производстве образуется своеобразный автоматизированный или, точнее, робототехнический комплекс РТК.
Рассматривая роботизированную позицию (робот—технологическая машина) как простейшую структуру РТК, примем следующие условные обозначения (рис. 8.1): рабочая зона 1 ПР, рабочий объем 2 технологического оборудования, рабочая зона 3 технологического оборудования. Рабочая зона ПР —часть объема 4 РТК, образуемая программируемыми движениями рабочих органов. Рабочий объем технологического оборудования — рабочее пространство станка, пресса и т. д., куда рука ПР вводит, устанавливает, снимает и откуда выводит предмет (условимся, что подобный рабочий объем определяется системой координат OXYZ, причем в общем случае плоскость ZOX — фронтальная, плоскость YOZ—нормальная,
Рис. 8.1. Схемы расположения рабочих зон манипуляторов, рабочих объемов и рабочих зон оборудования
рис. 8.2. Примеры компоновок основного технологического оборудования:
^( с — конструктивно-определенные размеры рабочих зон; А, В, С — конструктивно-неопределенные размеры рабочих зон; / — конструктивные схемы основного технологического оборудования; // — упрощенное изображение этого оборудования
плоскость XOY—горизонтальная, и характеристиками а, Ь, с). Рабочая зона технологического оборудования является частью рабочего объема и связана с типом технологической оснастки,
т. е. приспособлений, штампов и т. д. (условимся, что подобная зона определяется системой координатОХо^о^о)-
Отметим, что отдельные типы технологического оборудования не имеют четких конструктивных границ, оп
моделейразбитьмоделейразбитьределяющих характеристики а, Ь, с (рис. 8.2).
моделейразбить
моделейразбить
Анализ технических характеристик существующих подъемно-транспортных ПР показывает, что их можно на две группы: характеристики манипулятора и характеристики
системы программного управления.
Характеристики манипулятора можно разделить на две подгруппы: размерные характеристики, которые определяются из условий оптимального взаимного расположения ПР в РТК с основным и вспомогательным технологическим оборудованием,
производственные характеристики, включающие грузоподъемность, ориентирующие характеристики, которые определяются из условий требуемого совмещения систем координат предмета с системами координат технологической оснастки, скоростные характеристики, которые определяются исходя из требовании, связанных с производительностью оборудования и нормами точности на обрабатываемые детали и точность позиционирования.
Для упрощения дальнейшего анализа введем следующие обозначения основных показателей ПР.
Манипулятор
Компоновки манипуляторов, работающих в системах координат, прямоугольная (двухкоординатная) Д2 прямоугольная (трехкоординатная) — ДЗ цилиндрическая — Ц сферическая — С
цилиндрическая-сферическая — ЦС
цилиндрическая-прямоугольная (однокоординатная) — ЦШ цилиндрическая-прямоугольная (двухкоординатная) — ЦП2 сферическая-прямоугольная (однокоординатная) — СП1 сферическая-прямоугольная (двухкоординатная) — СП2 сферическая-прямоугольная (трехкоординатная) — СПЗ.
Размерные характеристики:
радиус рабочей зоны, м — R
перемещение основания, м — Во
перемещение колонны, м:
фронтальное — Вх
радиальное — Ву
ход руки, м:
горизонтальный или радиальный — А
вертикальный — С
угол качания руки вокруг горизонтальной оси, рад — р угол поворота, рад:
колонны вокруг вертикальной оси — ср руки — О
схвата — а
угол сгибания кисти, рад — Р
угол разворота кисти вокруг вертикальной оси, рад — у площадь основания, м2 — S
Производственные характеристики: Грузоподъемность, кг — т
Скорость, м/с:
перемещения основания — у0
фронтального перемещения колонны — их
радиального перемещения колонны — «ь
горизонтального хода руки — и0 вертикального хода руки — ус
Скорость, рад/с:
качания руки — <ор
поворота колонны — соф
поворота руки — tog
поворота схвата— соа
сгибания кисти — сор
разворота кисти — cov
Точность позиционирования, мм — 8, Д
Система программного управления Тип системы — Т
Позиционная:
по упорам — Та
со следящим приводом — Тс
Цифровая — Тц
Контурная — Гн
Количество программируемых координат — К
В том числе:
руки — Кр
кисти — Ки
прочие — КП
Количество опорных точек в памяти системы — N
В том числе:
руки — NP
кисти — NB
Количество переходов в памяти системы — М
В том числе:
руки — Л!р
кисти — /Ик
Количество подпрограмм — КП.
324
Рис. 8.3. Рабочие зоны манипуляторов с различными компоновками:
ф^ >'р; r£ <r- сх = с- Rx <R’ ,гмб = ,гм> л£ <л-
cz, b, с - размеры РОТО; hQ — высота плоскости XOY РОТО от уровня пола; h — минимальная высота продольной оси руки робота от уровня пола; Н — наибольшая высота РОТО от уровня пола; h0 — расстояние от оси симметрии РОТО до уровня , с
пола; пм — расстояние от пола оси качания руки до уровня пола; р0 — угол качания руки (полный); р0 — угол качания руки_от~горизонтальной оси
На рис. 8.3, а—д представлены некоторые типовые схемы манипуляторов, работающих в различных системах координат, и их основные размерные зависимости с рабочими зонами технологического оборудования.
Следовательно, построение оптимальных РТК должно быть основано: при оценке размерных характеристик — на совпадении рабочих зон ПР с рабочими зонами и объемами технологического оборудования; при оценке ориентирующих характеристик, на непрерывность протекания процесса взять-положить, что достигается совмещением требуемых положений систем координат предмета относительно систем координат рабочих зон оборудования при оценке скоростных характеристик — на выполнении заданных граничных значений производительности оборудования (парти- онность, суточные и сменные нормы выработки).
Все программируемые рабочие движения ПР можно разбить на следующие: линейные перемещения (движения манипулятора вдоль технологических установок); транспортные перемещения (движения руки при межстаночных перемещениях предмета);
325
Основные факторы классификационных группировок
Индекс
Манипулятор
Систем программного управления
ш
о с
S
О
и
Размерные характеристики
Производственные характеристики
5
а;
cq
cq
О
со
Е
3х
8
3
53 8.1. Влияние основных производственных факторов на характеристики манипуляторов и системы программного упоавления
01 промышленных роботовр
Вид и тип производства
Дг
ч-
Номенклатура предметов
д.
Iодовая программа
Дз
Количество средств произвол-
д.
+
ства
Схема расположения средств
Дз
+
производства
Общая производственная
Дз
+
площадь
Схема расположения транс-
д.
+
портного потока
Контроль предметов обработ-
Дз
ки
Количество средств транспор-
Дз
тирования
Количество операций
Дм
Вес (черновой, чистовой по 1 операциям)
Ег
Вид заготовки1
Габаритные размеры
1 £з
Положение в системе коор-
^4
динат рабочей зоны оборудования РЗТО
Положение при транспортировании
Г5
Конфигурация (симметричность)
Е6
Материал
Ei
Поверхность
Е s
Вид, тип и типоразмер
+
Габаритные размеры
>^2
ч~
Габаритные размеры рабочих объемов оборудования
Ж3
+
(РОТО)
Степень автоматизации
ж4
Производительность
Же
Фундамент, установка, креп-
Же
ление
Уборка стружки
ж:
Охлаждение, смазка
Ж§
Вид. тип и типоразмер
Ит
Габаритные размеры
И 2
Степень автоматизации
Дз
Количество предметов в мно-
И4
гоместных приспособлениях
Размерные параметры отно-
Иъ
сительио баз предмета
Тип привода зажимных эле-
и6
ментов
Со
ч~
ч~
ч-
+
Ч-
ч~
ч~
Ч-
Ч-
ч~
Ч-
ч~
ч~
ч~
ч~
ч~
ч~
ч~
ч~
ч-
ч~
ч~
ч~
ч~
ч~
ч~
ч~
ч~
Предме
71 об)
эабог
пки
+
-/-
+
+
+
ч-
+
ч~
ч~
+
Средства производства
Ч-
Ч-
ч~
Ч-
ч-
+
ч-
ч~
ч~
Ч-
ч~
ч~
Общие организационно-технические
ч~
+ + +
ч~
Ч- +
ч~
ч- ч-
Технологическая оснастка
Примечание. <+> — влияющие факторы.
установочные перемещения (движения руки при установке и снятии предметов в рабочих зонах оборудования); ориентирующие перемещения (движения кисти руки ПР для требуемого расположения систем координат предмета в рабочей зоне оборудования); операционные перемещения (движения предмета по фиксированной траектории в рабочей зоне оборудования при его базировании на закрытые опорные базы приспособлений); комбинированные перемещения (движения кисти или руки, обеспечивающие ориентацию или установку предмета в рабочих зонах оборудования).
При принятой классификации движений размерные характеристики будут определяться транспортными и установочными движениями, ориентирующие характеристики — ориентирующими и комбинированными движениями.
Оценивая все многообразие производственных факторов, влияющих на ПР, можно выделить следующие основные классификационные группы: общие организационно-технические, предметы обработки, средства производства, технологическую оснастку, средства транспортирования, эксплуатационные, технико-экономические. В табл. 8.1 показана качественная оценка влияния выделенных факторов на параметры ПР.
Методическая схема исследования технологических процессов. В основу разработанной методики положен системный анализ действующих производств, основанный на исследовании так называемой кинематики и динамики движения предметов обработки по технологическим процессам. Под кинематикой движения предмета понимают последовательные, согласно технологическому маршруту, геометрические перемещения и фиксированные положения предмета в рабочих зонах оборудования. Под динамикой движения предмета понимают требуемые средние технологические скорости перемещения предмета между его последовательными геометрическими фиксированными положениями.
Исследования кинематики движения предмета направлены на изучение положений предмета обработки в пределах рабочих зон оборудования и в пределах рабочих объемов РТК. В первом случае исследования основаны на анализе: положений систем координат предмета в системе координат рабочих зон оборудования; расположения базовых поверхностей предмета для захвата его Г1Р; вида, типа и типоразмера технологической оснастки, в которой располагается предмет; размерных характеристик, определяющих положение предмета в рабочих зонах относительно систем координат ПР; размерных характеристик собственно рабочих зон оборудования и их расположение в системе координат рабочего объема оборудования; размерных характеристик собственно рабочих объемов оборудования и их расположение в системе координат ПР. Во втором случае исследования основаны на анализе структуры РТК и количества рабочих объемов основного и вспомогательного оборудования в нем.
Качественная оценка комплексных исследований кинематики движения предмета показывает, что подобные исследования позволяют установить компоновки манипуляторов и их размерные характеристики.
При исследовании динамики движения предмета исходят из того, что одним из основных условий эффективного применения промышленных роботов на производстве является повышение производительности технологического оборудования. Это достигается в общем случае как определенным уровнем надежности РТК, так и определенным уровнем быстродействия рабочих органов ПР.
Рассмотрим некоторые принципиальные положения при установлении технологических требований к скоростным характеристикам ПР.
Следуя изложенному в гл, 6, исходным критерием возможности применения ПР на производстве будем считать условие
п
У ^ин Pi < ^ычр(8.1)
<=1i=l
откуда
п
^= ^>1,(8.2)
2j ^m pt
где Kg — коэффициент быстродействия ПР.
Анализ нормативов на трудовые движения человека и сравнение их с движениями рабочих органов ПР приводит, как показано в гл. 6, к установлению средней технологической скорости vup по той или иной характеристике. Это позволяет абстрагироваться от конкретных конструкций приводов и характеристик СПУ робота. Следовательно, только на основе vcp разработчики манипуляторов и систем ПУ должны рассчитывать оптимальные приводы, динамические характеристики машины и т. п.
Рассмотрим некоторые нормативы на микроэлементы трудовых движений человека и сравним их с аналогичными по функциональному назначению движениями ПР, использовав данные фирмы «Kawasaki-Unimate» (Япония), проводившей сравнение времени движения человека и ПР. Было установлено, что при переносе массы до 1,13 кг человек совершает движения быстрее робота. Это особенно заметно, когда масса перемещается на расстояние, наиболее удобное для человека (в пределах 40 см от плеча).
Различие во времени перемещения груза для человека и ПР уменьшается, когда величина перемещения превышает 50 см для малой массы. При расстоянии более 70 см человеку требуется больше времени. При перемещении массы в 10,5 кг время движения человека больше для любого расстояния, причем оно увели- 330
Протянуть руки к заготовке (10 см)
Продолжение табл. 8.2
Человек
Робот
Переход
Индекс МТМ
Время *, с
Переходы команды
Перемещения
Перемещения
Взять заготовку
G1C1
0,264
Выход над подающим лот-
Выдвижение руки
300 мм
КОМ
Захват заготовки
Команда на зажим
Качание руки
0,087/7?1510
Съем заготовки с лотка
То же
0,087/7?! 510
Установить
заготовку в центры станка
Отвести руку с заготовкой от лотка (30 см)
юмвзо
0,84
Отвод руки от лотка
Вдвижение руки
300 мм
Поворот корпуса иа 1,57 рад
Вывод заготовки на линию центров (40 см)
ТВС1
0,027
Подход к станку
Поворот руки
1,62//?12!0
10МВ40
0,94
Вход в рабочую зону станка
Качание руки Выдвижение руки
0.087/R1210
300 мм
Разжать пальцы
ЩЛ
0,072
Надевание заготовки на передний центр
Поворот руки
0,05/7?1910
Убрать руки из рабочей зоны станка (50 см)
РА50
0,47
Команда на разжим Выход из рабочей зоны
Вдвижение руки
600 мм
* Время рассчитано для манипулирования двумя руками деталью массой 20 кг.
с-' Примечание. Приведенные в таблицах индексы имеют следующие значения: МВ — переместить предмет к определенному месту, число перед МВ обозначает массу перемещаемого предмета, кг, число после МВ обозначает величину перемещения руки с предметом, см;' G1C1 —взять предмет диаметром больше 12 мм при наличии помехи снизу или с одной стороны; RL1 — разжать пальцы; ТВС1 —повернуть корпус на ^——J рад, причем приставляемая нота должна коснуться пола до начала следующего движения.
Sc о
Шй
5
Е
S Е
*
5
5 Е
Ь я
с Е
п>В
Сопоставления перемещений человека и робота при выполнении операций холодной листовой штамповки
Человек
Робот
[ fc. Индекс МТМ
Время, с
Величина поворота
Длина
перемещения, рад
траектории, мм
10МВ10
ТВС1 TBCI
-I-TBC2
0,56
0,627
+0,627
1,338
0,05//?1£10
1,52/^1310
3,14//? 1210
100
2130
3770
ТВС1
0,627
1,62/^1210
1945
0,05//?1910
100
1=1
3,779
п
51 ^цпР,-
1=1
8045
^^SS '“*"»■ «™»™ .- определенных
Координаты перемещения рабочих органов робота
Пресс
Ковочная машина
Вальцовочная машина
Молот
вертикальная
горизонтальная
Полярные Цилиндрическое Прямоугольные
+ + +
+ + +
+ + +
+
+ +
робота нецелесообразно6' <+> ~ "Рвение робота целесообразно; «-, - применение
исполнитель-исполнитель-определение суммарной величины траектории ного органа ПР при повороте руки:
исполнитель-
исполнитель-
п
X ^п Pi = 8045 мм;i=i
определение суммарного угла поворота .руки робота Б9ип^ по формуле/=1
п9цп Piп9цп Pii=l2лТ?СР ’i=l2лТ?СР ’(8.3)(8.3)
п
9цп Pi
п
9цп Pi
i=l
2лТ?СР ’
i=l
2лТ?СР ’
(8.3)
(8.3)
™RPР1ЗДИУС выдвижения РУки ПР (в данном при-
мерс /\Ср — 14Ь0 мм), тогда
гт о 8045 с с
У Pi 2-3,14.1460 — 3,5 рад;
определение необходимого времени для поворота руки FTP на угол 5,5 рад:
X K:i 4i
Xi / — 3,779 3 16 С
Ku Pl ”77'~12 —
1=1
средняя технологическая скорость на поворот руки ПР
юср = -^у = 1,73 рад/с.
Подобные расчеты проводят и по другим сопоставимым трудовым движениям человека и рабочим движениям ПР. Здесь следует отметить одно принципиальное положение, заключающееся в том, что ПР не обязан превосходить человека по всем сопоставимым движениям. Он может проиграть человеку по некоторым микроэлементам, но выиграть по другим и превзойти, в итоге, по суммарному времени.
Анализ роботизированных типовых позиций показывает, что объективным критерием перемещения схвата робота РТК может служить отношение суммарных траекторий перемещения схвата пп
робота X 1№?. руки человека X /цПчг Тогда коэффициент длин сопоставимых траекторий ПР и человека:
X ^цп Pi
Ki = ^-= ^ = 2,43.(8.4)
цп Рi°
Качественная оценка коэффициента Ki, если ПР превосходит человека за счет времени на микроэлементы «поворот руки», «выдвижение руки» и т. п., то рекомендуется выбор позиций для ПР п
с наибольшим значением Х^цпч-
При построении робототехнического комплекса желательно,
чтобы X К и'/, ^ X ^п Pi (оценка рациональности схемы робо-
— 1Z = 1
тизации).
Построение РТК с большим значением К, показывает, что к динамике ПР предъявляются более повышенные требования (следовательно, нерационально ставить ПР повышенной грузоподъемности на позиции с малой массой перемещаемых предметов).
Технологические исследования основных скоростных характеристик (поворот руки, горизонтальный или радиальный ход руки) роботов «Универсал-50М», «Универсал-5» и «Универсал-15.01» 335
показали, что в общем они соответствуют требованиям по средним скоростям, исходя из вышеизложенных методических предпосылок.
Однако применение ПР решает еще актуальную задачу по повышению производительности основного технологического оборудования. Это особенно четко проявляется в заготовительном производстве, где на определенных видах оборудования (механические кривошипные пресса и т. д.) физиологические особенности человека не позволяют использовать в полной мере заложенные технические характеристики (например, теоретическое число двойных ходов прессов в минуту и т. п.). В механическом производстве неуклонная тенденция и снижение машинных времен (повышение стойкости инструментов, новые виды режущих инструментов и т. д.) ведут к повышению значений вспомогательных времен, что также выдвигает на первое место проблему роботизации подобных работ. Следовательно, если универсальные ПР должны в общем случае иметь средние технологические скорости по основным характеристикам на уровне сравнения с микроэлементами на трудовые движения человека, то характеристики специализированных ПР должны отвечать основному требованию максимального повышения производительности технологического оборудования.
Исследования динамики движения предмета проводят в пределах рабочих объемов технологического оборудования и в пределах рабочих объемов РТК. Исследования в первом случае основаны на анализе размерных параметров рабочих объемов оборудования, компоновок оборудования и его основных размерных параметров, размерных параметров рабочих зон оборудования, типа и типоразмера технологической оснастки, суммарных нормативных времен на установку и снятие предметов в рабочих объемах оборудования (для человека). Во втором случае исследуются такт (ритм) роботизированного процесса, соотношения основных (машинных) и вспомогательных времен на РТК, размерные характеристики рабочих органов и структуры РТК, суммарные нормативных времен на межоперационное или межстаночное транспортирование предмета, изменение массы предмета в РТК.
Качественная оценка комплексных исследований динамики движения предмета показывает, что подобные исследования определяют структуру РТК, скоростные параметры ПР, компоновку и привод манипулятора, характеристики систем программного управления.
Не касаясь всего многообразия производственных факторов, влияющих на выбор ПР, ниже рассмотрим влияние основных факторов на определение требуемых ориентирующих и размерных характеристик.
Технологическая оценка основных факторов, определяющих ориентирующие характеристики. Одной из основных специфик РТК является характеристика допустимых направлений (зон) подхода 336
Рис. 8.4. Схемы производственно-допустимых подходов схвата к предмету в осиа-Рис. 8.4. Схемы производственно-допустимых подходов схвата к предмету в осиа-
Рис. 8.4. Схемы производственно-допустимых подходов схвата к предмету в осиа-
Рис. 8.4. Схемы производственно-допустимых подходов схвата к предмету в осиа-
схвата к предмету. Определение таких направлений основано на классификации компоновок технологического оборудования, типов и типоразмеров технологической оснастки.
При вышеизложенных системах координат (см. с. 322) рабочих объемов технологического оборудования, оснастки, предмета такими подходами будут (рис. 8.4): по оси OY— угол ос, по оси OZ— угол ±0, по оси ОХ — углы ±? (при поворотах кисти на углы ±0 и +у также рассматривается угол а—угол поворота схвата). Анализ показывает, что некоторые теоретические направления подхода схвата к предмету будут некорректными ввиду особенностей оснастки, размерных параметров рабочих объемов оборудования и т. д.
На выбор ПР оказывают влияние следующие производственные факторы: наличие одноместных или многоместных приспособлений, число операций (переустановок) предмета в фиксированной оснастке, конфигурация предмета (симметрия, асимметрия, тело вращения и т. д.), число обслуживаемого основного и вспомогательного технологического оборудования, расположение систем координат рабочих объемов технологического оборудования относительно манипулятора.
Оценку размерных характеристик ПР можно провести, исследуя следующие основные комплексы двигательных действий, связанных с манипулированием предметами: загрузка-разгрузка основного технологического оборудования, загрузка-разгрузка тары, межстаночное транспортирование предметов.
Технологической оценке выделенных размерных характеристик предшествует анализ статистических данных по высоте установки предмета от уровня пола в рабочей зоне оборудования /i1T и глубине установки предмета в рабочей зоне от фронта оборудования щ,. Для их количественной оценки выделим следующие статистические показали 126]: средневзвешенные арифметические отклонения Н6У, “ср, среднеквадратичные отклонения ah, оа. 33?
Построение обобщенной статистической рабочей зоны обору' дования, которой должна соответствовать рабочая зона ПР, основано на следующих зависимостях:
Amin ' ^ср 3(7/,; Атах — Аср -(- Зи,,;^mln = ^ср 3<TU, £Jmax = ®ср -|- Зса.
РОБОТИЗАЦИЯ ПРОЦЕССОВ ГОРЯЧЕЙ ОБЪЕМНОЙ ШТАМПОВКИ
Особенности роботизации процессов горячей штамповки. Действующие производственные процессы в цехах горячей объемной штамповки позволяют установить следующие основные операции, которые можно рассмотреть с точки зрения их роботизации: подача проката к кривошипным прессам, складирование заготовок в тару после рубки проката (в холодном или нагретом состоянии), транспортирование тары к нагревательным устройствам, укладка в нагревательное устройство, транспортирование нагретой заготовки к штамповочному агрегату, штамповка на прессе, смазка гравюры штампа, обдувка штампа, транспортирование к обрезному прессу, обрезка и укладка отштампованной детали на прессе, укладка штампованной детали и облоя в тару.
Роботизация всего производственного процесса требует упорядоченного складирования заготовок после их рубки на прессах, упорядоченной загрузки нагревательных устройств, строгой ориентации полуфабрикатов при межстаночном транспортировании.
Эти требования диктуются кинематикой предметов обработки на основе существующих моделей ПР. Одновременно необходима разработка технических устройств, обеспечивающих захват штампуемых деталей при резком изменении их конфигурации и габаритных размеров, контроль нагрева заготовок до заданного интервала температур, сдув окалины с гравюры штампов, смазку (принудительную) полостей штампа, контроль наличия и положения штампуемых деталей в матрице или на пуансоне, выталкивание отштампованных деталей на определенный уровень для предотвращения их залипания.
Решение вопросов комплексной автоматизации оборудования в кузнечных цехах на основе ПР имеет специфичные признаки, влияющие на конструктивные схемы средств автоматизации и требующие специального подхода к выбору или созданию нужной модели ПР [4|.
Компоновки манипуляторов ПР, оптимальные для определенных типов кузнечного оборудования, приведены в табл. 8.4.
Организационные структуры РТК в кузнечных цехах отличаются большим разнообразием. На рис. 8.5 показаны типовые схемы РТК, построенные с учетом требований конкретных производств 1461. На рис. 8.5, а показана схема применения ПР на операции передачи поковки сложной формы между двумя гидравлическими 338
Рис. 8.5. Типовые структуры РТК горячей штамповки:Рис. 8.5. Типовые структуры РТК горячей штамповки:/ — индукционный нагреватель; 2 — транспортер; 3 — КГШП; 4 — робот; 5 — обрезной пресс; 6 — тара/ — индукционный нагреватель; 2 — транспортер; 3 — КГШП; 4 — робот; 5 — обрезной пресс; 6 — тара
Рис. 8.5. Типовые структуры РТК горячей штамповки:
Рис. 8.5. Типовые структуры РТК горячей штамповки:
/ — индукционный нагреватель; 2 — транспортер; 3 — КГШП; 4 — робот; 5 — обрезной пресс; 6 — тара
/ — индукционный нагреватель; 2 — транспортер; 3 — КГШП; 4 — робот; 5 — обрезной пресс; 6 — тара
прессами, которые обслуживаются кузнецами. На рис. 8.5, б показана наиболее распространенная схема РТК с применением робота-штамповщика 4. Как правило, на подобных РТК поковка автоматически выталкивается из последнего ручья штампа и сбрасывается в тару 6.
На рис. 8.5, в показана схема РТК, построенная на взаимодействии ПР и человека-кузнеца. При многоручьевой штамповке ПР 4 захватывает нагретую заготовку с транспортера 2 и укладывает в первый ручей штампа, потом переносит во второй ручей, а далее кузнец продолжает штамповать заготовку в двух последующих ручьях и сбрасывает поковку в тару. Основная причина подобной организации РТК — сложная форма конфигурации поковки с резкими переходами в процессе формообразования.
На рис. 8.5, г показана схема РТК с обслуживанием ПР 4 механического пресса 3 и укладкой штамповки в ручей гидравлического пресса 5. Далее в работу включается кузнец и т. д. В приведенных выше схемах указаны нагревательные устройства, обслуживаемые человеком-нагревальщиком.
Исследования кинематики предметов обработки на роботизированных линиях горячей объемной штамповки. Проведем определение ориентирующих характеристик. Для этого из всего многообразия основного технологического оборудования, связанного с процессами горячей объемной штамповки, выделим наиболее прогрессивные процессы, связанные с организацией: линий горячей штамповки на кривошипных горячештамповочных прессах КГШП, работающих по схеме «индуктор—КГШП—обрезной пресс—тара», участков горячей штамповки на горизонтальноковочной машине ГКМ, работающих по схеме «индуктор—ГКМ».
Исследуемый статистический массив отражает данные 38 линий КГШП в действующих кузнечных цехах на ряде предприятий машиностроения и 14 участков ГКМ. При этом каждая линия КГШП обрабатывает детали от 1 до 16 наименований. Все линии можно разбить на две группы: однопредметные непрерывнопоточные линии — 26,7 % (работающие без переналадок), многопредметные непрерывно-поточные линии — 73,3 % (работающие с переналадками) от общего их числа.
8 нагревательном устройстве при. нагреве
В кривошипном горячештамповочном прессе
В обрезном прессе при обрезке
На осадочной плош,адке
При штамповке (одноручьевой )
Рис. 8.6. Схемы размещения обрабатываемых деталей, ных (б) в соответствующих плоскостях рабочих зон
При истампобке ( 6 двух ручьях)
симметричных (а) и асимметрич-
8.5. Связь кинематики предметов на линии КГШП с последовательностью формирования штампуемых деталей
Оборудование
Технологический
процесс
Расположение заготовки по высоте от уровня пола
Индуктор кгшп
Обрезной пресс
Нагрев и выдача проката Осадка, штамповка предварительная, штамповка окончательная
Обрезка
Постоянно
На разных уровнях
То же
Рис. 8.7. Размещение предмета в рабочих зонах основного оборудования на линиях КГШП (а) и участках ГКМ (б):
h/ — высота предмета на выходе индуктора; — высота предмета на осадочном ручье (площадке); h. — высота предмета в последнем ручье штампа; и — высота предмета на матрице обрезного штампа; h. — высота штампа после обрезки; 1 — индукционный нагреватель; 2 — КГШП; 3 — обрезной пресс
При исследовании допустимых производственных направлений (см. рис. 8.4) установлено, что для прессов: подход сверху + Р исключен штамповой оснасткой и размерами просвета между пуансоном и матрицей, подход от фронта а является характером для КГШП и обрезного пресса и принят как основной, подход справа-слева ±у технически допустим исходя из размеров рабочих зон прессов, подход к индуктору для захвата нагретой заготовки а и
Кинематика предметов на линиях КГШП связана в общем случае с последовательностью формообразования штамповок (табл. 8.5).
Примем следующую схему роботизированной линии: ПР 1 — штамповщик (индуктор в рабочей зоне робота), ПР 2 — обрезчик. Для упрощения исключаем транспортные устройства, тогда ПР 1 берет нагретую заготовку и штампует в ручьях КГШП, ПР 2 — берет штамповку из последнего ручья и укладывает ее в обрезной штамп с последующей разгрузкой облоя и штамповки.
На рис, 8.6, а представлена схема размещения обрабатываемой детали, симметричной в плоскостях XOY и XOZ рабочей зоны оборудования.
Примерная номенклатура подобных деталей: для КГШП усилием 10000 кН зубчатое колесо 070x27 мм и зубчатка 0 60x26 мм, для КГШП усилием 25000 кН — цапфа 0 122 X Х114 мм и зубчатое колесо 0 136X15 мм. Подобные детали при любом числе штамповочных ручьев требуют подхода а — для ПР с цилиндрической системой координат, подхода а + р — для ПР со сферической системой координат.
Изложенная выше кинематика характерна для однопредметных линий КГШП.
8.6. Распределение характеристики hn для линий с КГШП
Усилие КГШП, кН
Оборудование
Усилие КГШП, кН
Оборудование
Индуктор
КГШП 1
Обрезной пресс 2
Ин-
ДУК-
КГШП 1
Обрезной пресс 2
6 300
0,61
1,0—0,9
0,8—0,7
0,85 0,85 0,75 0,65 1,3
0,5
1,0—0,9 1,0—0,9 0,9—0,8
1,05—0,9 0,9—0,8 1,0—0,9
1,1—0,9 1,1—0,9 1,0-0,85 1,05-0,8 0,9—0,75 0,9—0,75
1 000
0,8 0.8 0,6
1,05—0,9 1,05-0,9 0,95—
0,85
1,0-0,9
0,95—0,8
0,95—0,8
1,0—0,85
25 000
1,1
0,9—0,8
40 000
0,65 1,0
0,9—0,8 0,9—0,8
0,9—0,75 1,2—1,0
1,0
1,0
1,1 —1,0 1,0—0,9
0,9-0,8 1,0-0,85
16 000
60 000
0,7
1,0—0,9
0,95—0,8
1 Перепад между осадочной площадкой и зеркалом матрицы штампа. 2 Перепад, между поковкой и облоем в обрезном штампе.р А
На рис. 8.6, б представлена схема размещений обрабатываемых деталей, асимметричных в одной из плоскостей XOY или Х07 рабочей зоны технологического оборудования. Подобные детали будут являться лимитирующими для многопредметных линий при определении требуемых ориентирующих степеней подвижности. Штамповка указанных деталей при двухручьевых и более штампах требует выполнения: подхода а ± у — для ПР с цилиндрической системой координат и подхода а + р + у — для ПР со сферической системой координат.
Следует отметить, что степень подвижности +у может быть заменена комбинированным движением — смещением руки вдоль фронта оборудования.
При исследовании участков ГКМ принято, что ПР 1 — штамповщик (индуктор в зоне ПР). Штамповочные ручьи в штамповой оснастке расположены в плоскости Y07 рабочей зоны машины. Все участки ГКМ относятся к многопредметным с числом закрепленных заготовок от 4 до 12. На рис. 8.7, б показана кинематика типовой детали при штамповке на ГКМ. Число ручьев на всех участках и для всей номенклатуры — 3. Симметрия или асимметрия штамповок не влияет на кинематику деталей и, следовательно, на ориентирующие степени подвижности.
Допустимые подходы схвата: а — для всех компоновок, + Р — теоретически возможен.
Проведем определение основных размерных характеристик. Для этого исследуем статистический массив по данным, определяющим положение предметов в рабочих кузнечно-прессовых оборудований. 1. Положение предмета по высоте от уровня пола hn. 342
в табл. 8.6 приведено распределение характеристики hn для линий КГШП.
Ап, м Число предметов, приходящихся на интервал АпАп, м Число предметов, приходящихся на интервал АпАп, м Число предметов, приходящихся на интервал АпАп, м Число предметов, приходящихся на интервал Ап0,5—0,6 0,6—0,7 0,7—0,8 0,8—0,9196410,9-1,0 1,0—1,1 1,1—1,2 1,2-1,35436540,5—0,6 0,6—0,7 0,7—0,8 0,8—0,9196410,9-1,0 1,0—1,1 1,1—1,2 1,2-1,3543654
Ап, м
Число предметов, приходящихся на интервал Ап
Ап, м
Число предметов, приходящихся на интервал Ап
Ап, м
Число предметов, приходящихся на интервал Ап
Ап, м
Число предметов, приходящихся на интервал Ап
0,5—0,6 0,6—0,7 0,7—0,8 0,8—0,9
19641
0,9-1,0 1,0—1,1 1,1—1,2 1,2-1,3
543654
0,5—0,6 0,6—0,7 0,7—0,8 0,8—0,9
19641
0,9-1,0 1,0—1,1 1,1—1,2 1,2-1,3
543654
Результаты исследований Ап для кузнечно-прессового оборудования типа ГКМ (рис. 8.7, б) показывают более резкие перепады между первым ручьем штампа (высота hn — максимальная) и третьим ручьем (высота /гп — минимальная) для каждого типоразмера ГКМ. Общий перепад (в пределах одного штампа) Ац — = (0,25 4-0,65) м.
Модель ковоч- ГКМ-1250 ГКМ-1200ГКМ-800 ГКМ-3" ГКМ-2"
ной машины
Расположение1,65—1,01,6—0,81,1—0,651,1—0,81,15—0,9
предметов обработки по высоте hn
2. Положение предмета по глубине от фронта оборудования ап, общее распределение предметов по интервалам аи приведено ниже:
ап, м0,2—0,3Число предметов обработки, приходящихсянаинтервалап..10ап, м0,7—0,8Число предметов обработки, приходящихсянаинтервалап..16ап, м0,2—0,3Число предметов обработки, приходящихсянаинтервалап..10ап, м0,7—0,8Число предметов обработки, приходящихсянаинтервалап..160,3—0,4 0,4—0,5 0,5—0,6 0,6—0,7131516140,8—0,9 0,9—1,0 1,0—1,1 1,1—1,2201818120,3—0,4 0,4—0,5 0,5—0,6 0,6—0,7131516140,8—0,9 0,9—1,0 1,0—1,1 1,1—1,220181812
ап, м0,2—0,3
Число предметов обработки, приходящихсянаинтервалап..10
ап, м0,7—0,8
Число предметов обработки, приходящихсянаинтервалап..16
ап, м0,2—0,3
Число предметов обработки, приходящихсянаинтервалап..10
ап, м0,7—0,8
Число предметов обработки, приходящихсянаинтервалап..16
0,3—0,4 0,4—0,5 0,5—0,6 0,6—0,7
13151614
0,8—0,9 0,9—1,0 1,0—1,1 1,1—1,2
20181812
0,3—0,4 0,4—0,5 0,5—0,6 0,6—0,7
13151614
0,8—0,9 0,9—1,0 1,0—1,1 1,1—1,2
20181812
Анализ приведенного распределения по типам кузнечного оборудования показывает, что в диапазоне 0,2—0,5 м находятся позиции обрезных прессов, а свыше 0,6 м — позиции у КГШП (многоручьевая штамповка). Поэтому рекомендации по характеристике «наибольший горизонтальный ход руки» определяются в общем на основании аи и должны учитывать конкретную структуру РТК, комплекс необходимых движений (подходы схвата — а) и размеры рабочих объемов оборудования.
Последнее замечание связано с тем, что нет необходимости в перемещении руки, равном аи, если степень подвижности ±у позволяет в пределах рабочего объема вводить заготовку в рабочую зону прессов без отработки горизонтального хода руки.
Роботизированные линии на основе кривошипных горячештамповочных прессов КГШП. Рассмотрим созданные на одном из металлургических заводов варианты линий на основе КГШП.
Линия с КГШП усилием 25 000 кН. До роботизации штамповка детали «щека кривошипа» мотоцикла «ИЖ-Юпитер» массой 13 кг производилась следующим образом. Заготовку в индуктор загружали вручную. Из индуктора с помощью транспортера и склиза ее подавали в рабочую зону КГШП. Кузнец захватывал ее клещами и вносил на осадочную площадку, удерживая заготовку, нажимая ногой на педаль пресса. После хода пресса заготовку переносили в штамповочный ручей — осуществлялся второй ход пресса, затем отштампованную деталь извлекали и передавали на транспортер, доставляющий ее на приемный столик возле обрезного пресса. В это время для предохранения поковки от залипания кузнец смазывал пуансон и матрицу, нанося матерчатой кистью слой графитной смазки. После этого он приступал к осадке и штамповке следующей детали.
Возле обрезного пресса находились двое рабочих-обрезчиков, первый из которых брал поковку с приемного столика, укладывал ее в обрезной штамп, включал ход пресса. После завершения рабочего хода он захватывал облой и выбрасывал его в тару. Если облой застревал на пуансоне, его снимали ударами или раскачивали с помощью клещей. В обязанности второго рабочего- обрезчика входило снятие обрезанной поковки, контроль ее формы и складирование в тару готовых поковок. Одновременно с обрезкой происходила калибровка и правка поковки, что обеспечивалось правочным кольцом, входящим в обрезной штамп.
Таким образом штамповка детали производилась одним кузнецом за два хода пресса. Рассмотрим несколько вариантов РТК.
Вариант 1. Для доставки заготовки от индуктора к КГШП (см. рис. 7.3, б) используется транспортер, имеющий специальный склиз, доставляющий ее в вертикальном положении всегда в одну точку. Выдачу заготовки на позицию осадки производит шиберный перекладчик, установленный в левом боковом окне пресса. Движения кузнеца от передачи заготовки с осадки до удаления из штамповочного ручья выполняет робот «Циклон-ЗБ», имеющий две руки. Передачу от КГШП до обрезного пресса осуществляют транспортером, получающим поковку с помощью шиберного сбрасывателя. Шиберный сбрасыватель является упрощенной конструкцией перекладчика. Его задачей является передача заготовки от ПР на транспортер. Необходимость установки шиберного сбрасывателя объясняется тем, что рука ПР не может зайти в боковое окно КГШП на расстояние, достаточное для сброса заготовки на транспортер. Движения рабочего обрезчика может выполнить ПР, смонтированный в одноруком варианте. Для захвата поковки всегда в одной точке между ПР и транспортером устанавливается приемно-ориентирующее устройство. Нормальная работа ПР с обрезным прессом будет возможна, если обрезац- 344
ный облой не залипает на пуансоне, что должно обеспечиваться установкой жесткого съемника облоя. Удаление обрезанной поковки и облоя производит двурукий ПР (см. рис. 7.3, а), установленный за прессом. Возможен вариант удаления одной рукой, но для этого требуется специальный склиз, разделяющий поковку от облоя.
Все роботы «Циклон-ЗБ» оснащают специальными схватами, отвечающими форме детали на обслуживаемой операции. Каждый ПР имеет свой пульт управления. Координация работы прессов, ПР и другого оборудования производится с центрального пульта управления.
Основными элементами, обеспечивающими функциональную связь между агрегатами линии и ПР, являются следующие датчики: наличия заготовки на исходной позиции штамповочного пресса, наличия заготовки в штамповочном ручье, удаления заготовки из рабочей зоны штамповочного пресса, наличия заготовки на приемной позиции обрезного пресса, удаления детали и облоя из рабочей зоны обрезного пресса.
Необходимые паузы в движениях органов обеспечиваются элементами задержки. Производительность данной линии — 210 шт./ч.
Вариант 2. С целью повышения производительности штамповки был реализован вариант (см. рис. 7.3, а) компоновки робототехнической линии с четырьмя ПР. Дополнительный ПР использовался для захвата нагретой заготовки на выходе из индуктора и транспортирования ее на осадочную площадку штампа в зоне КГШП. Цикл работы линии сократился с 17 до 10 с, однако усложнилась настройка линии и снизилась надежность.
Вариант 3. В процессе опытно-промышленной эксплуатации приведенных выше вариантов были выявлены основные недостатки вспомогательных средств, ПР и их компоновок. Созданный вариант РТК (см. рис. 7.3, б) предусматривает автоматическую загрузку заготовок в индуктор с помощью специального устройства с использованием электромагнитного захвата и ориентирующего вращающегося конуса; модернизированную конструкцию подающего транспортера и устройства для ориентации заготовок на исходной позиции в рабочей зоне КГШП; совмещение устройства для подачи технологической смазки с роботом-кузнецом; упрощение пульта программного управления роботом-кузнецом с включением его в пульт управления робототехнической линией; замену шаговых искателей и электромагнитных реле времени на бесконтактные электронные устройства; исключение незапрограммированного хода ползуна пресса на основе ввода блокировочной команды на его включение с помощью датчика положения руки робота-кузнеца; вывод на центральный пульт управления линией датчиков контроля технологического усилия штамповки, силы выталкивателя, температуры заготовки.
Основным отличием варианта 3 от первых двух вариантов роботизированной линии является выполнение операции обрезки облоя и правки в специальном штампе на КГШП, что позволило сократить использование роботов «Циклон-ЗБ» до двух, решить вопрос передачи поковки на обрезку в ориентированном виде без специального оснащения. Для максимального сокращения рабо* чего цикла ПР в штампе были созданы специальные выемки для размещения схвата робота-кузнеца без отхода руки из рабочей зоны во время рабочего хода ползуна.
Система датчиков контролирует прохождение штамповок по ручьям штампов и блокирует работу ПР при отклонениях от нормального хода процесса штамповки. На данной линии производительность составила 300—360 шт./ч.
Проведенные работы показали, что использование ПР с пневматическим приводом может иметь ограниченное применение, так как их манипуляционные и размерные характеристики позволяют штамповать детали довольно ограниченной номенклатуры. Это обусловливается как ограничением по массе штамповок из-за малых усилий в схватах, имеющих пневматический привод, так и по грузоподъемности ПР. Так как робот «Циклон-ЗБ» (и подобные роботы мод. ПР-10, ПРЦ-10) имеет только две точки позиционирования по подъему и по движению руки (рук), то высотные положения штамповок в многоручьевых штампах должны быть на определенном уровне и их расстояния до оси вращения руки должны быть одинаковы. Малая величина подъема рук не позволяет роботизировать процессы штамповки выдавливанием.
Линия КГШП с усилием 40 000 кН. Робототехническая линия на основе КГШП усилием 40 000 кН состоит из агрегата нагрева (индукционный нагреватель), робота-загрузчика заготовок и устройства для их ориентированной загрузки в индуктор, транспортера для передачи нагретой заготовки на КГШП и ее ориентированной выдачи на осадочную площадку, собственно КГШП, робота-кузнеца «Универсал-15.01», транспортера для передачи штамповки к обрезному прессу с сохранением ориентации поковки, обрезного пресса усилием 4000-103 Н, робота-обрезчика «Универсал-15.01» и приспособления для отделения поковки от отходов.
Основной номенклатурой поковок, штампуемых на данной линии, являются поковки круглые в плане, штампуемые осадкой в торец и последующей штамповкой в окончательном ручье.
Накопленный опыт по созданию робототехнической линии с КГШП, развивающим усилие 25 000 кН, позволил организовать более рациональный роботизированный процесс. Например, для повышения производительности робота-загрузчика была разработана и реализована система его адаптивного управления, что позволило исключить лишние движения ПР при захвате заготовок в различных точках подающей тары.
Для выполнения осадки с удержанием заготовки в схвате робота-кузнеца был модернизирован механизм зажима манипуля- 346
ве линийве линийПланировка РТК наосно- КГШП-1000:
ве линий
ве линий
1 — индуктор; 2 — прибор для контроля температуры; 3, 5, 12, 16 — транспортер; 4 — пресс; 6 — шкаф электрический; 7 — установка очистки воздуха; 8 — тара; 9 — лоток; 10 — тара для облоя; // — пресс обрезной; 13 — пульт ПР; 14 —
ПР; 15 — тара для штамповок
тора, что позволило избежать резкого увеличения нагрузки в системесхвата при внешнем кинематиче
ском воздействии на его
рычаги. Предусматривается защита робота-кузнеца и робота-обрезчика от незапрограммированных ходов с помощью специальной схемы, которая в конце каждого цикла движения производит проверку нахождения ползуна в верхнем крайнем положении. В случае, если ползун начал движение, включается аварийная
остановка пресса.
Роботизация линии на основе КГШП, развивающего усилие 10 000 кН. До роботизации линии рабочий-штамповщик вручную принимал заготовки, поступающие по транспортеру от индуктора в рабочую зону штампа, и за два хода ползуна пресса последовательно выполнял операции осадки и штамповки, после чего отбрасывал штамповку на транспортер, передающий ее к обрезному прессу. Смазка штампов производилась также вручную. Второй рабочий-обрезчик устанавливал заготовку на обрезной штамп и после рабочего хода ползуна последовательно снимал деталь и облой и сбрасывал их в соответствующую тару.
В процессе роботизации линии также были отработаны различные варианты. По варианту 1 в соответствии с техническим заданием на предприятии были спроектированы и изготовлены транспортер от индуктора к КГШП К-8540, транспортер к обрезному прессу К-9534 усилием 2500•103 Н, транспортеры для передачи детали и облоя в соответствующие тары, схваты к роботу «Цик- лон-ЗБ», ориентирующее устройство для штамповок. Кроме того, изготовлены пневмотолкатель детали и облоя, спрейерное устройство для автоматической смазки, откатные устройства для ПР, а также узлы для модернизации прессов и штампов, в частности для исключения операции по осадке заготовки.
На рис. 8.8 показана планировка роботизированной линии из двух ПР.
Робот-кузнец (в двуруком исполнении) обслуживает КГШП и выполняет следующие движения: левой рукой захватывает поступившую от индуктора нагретую заготовку, правой рукой захватывает штамповку, поворотом рук нагретая заготовка укладывается в ручей штампа, а штамповка сбрасывается на транспортер. Автоматика предусматривает команду роботу-кузнецу о на-
two шэд кпна^т amend grig п awdoфtwo шэд кпна^т amend grig п awdoфs 2 s ж S 5 л* gx4 я = яs 2 s ж S 5 л* gx4 я = ялинии ползуна пресса в верхнем положении и отходе смазывающего устройства. Рабочий ход пресса осуществляется после возврата рук робота в исходное положение и смазки штампа.
two шэд кпна^т amend grig п awdoф
two шэд кпна^т amend grig п awdoф
s 2 s ж S 5 л* gx4 я = я
s 2 s ж S 5 л* gx4 я = я
Робот-обрезчик (в одноруком исполнении) выполняет следующие движения: берет штамповку с транспортера, переносит ее и устанавливает в ручей обрезного штампа. Ввод штамповки в рабочую зону обрезного штампа происходит при условии возврата ползуна в верхнее положение; выталкиватель штамповки и облоя возвращается в исходное положение. Удаление детали и облоя в соответствующие тары происходит по команде от пресса об окончании рабочего хода. На рис. 8.9 показана кинематика перемещения штамповки в роботизированном процессе.
В процессе освоения линии были внесены отдельные изменения в конструкцию манипулятора и пульта управления, в частности изменена конструкция турели, на которой крепят руку ПР, заменены трансформатор и стабилизатор напряжения, применен закрывающийся кожух пульта управления и др. Кроме
Рис. 8.10. Вариант планировки РТК робот—КГШП:
/ — индукционный нагреватель; 2 — транспортер; 3 — тара для отштампованных деталей; 4 — лоток; 5 — КГШП; б — штамп для безоблойной штамповки; 7 — рука манипулятора; 8 — манипулятор робота; У ~ пульт управления; 10 — тара с заготовками
того, по результатам промышленной эксплуа- тации проведена доработка нестандартного оборудования с целью обеспечения более стабильной работы оборудования. Опыт эксплуатации указанной линии также привел к созданию более производительного роботизированного процесса.
Вариант 2 представляет собой компоновку линии на основе автоматического загрузчика индуктора, транспортера для подачи нагретой заготовки к рабочей зоне КГШП, робота-кузнеца, сбрасывателя штамповки в тару.
На рис. 8.10 показана планировка РТК- В основу принятого решения положен переход на мерную заготовку, что позволило добиться безоблойной штамповки и исключить обрезной пресс.
РОБОТИЗАЦИЯ ПРОЦЕССОВ ХОЛОДНОЙ ЛИСТОВОЙ ШТАМПОВКИ
Общие требования к роботизации листоштамповочных операций. Роботизация листоштамповочного производства должна учитывать его специфику и отвечать следующим основным требованиям: быстродействию, переналаживаемости, точности.
Из всего многообразия задач по автоматизации и механизации вспомогательных операций листоштамповочного производства робототехника должна выбрать операции, которые не решены традиционными методами. При рассмотрении укрупненной схемы технологического маршрута получения штамповочной детали такими операциями можно считать: подачу листа для резки на пресс - ножницах, складирование полос или карт после резки в стопы, кассеты, транспортирование стоп, кассет к прессам, загрузку— разгрузку штампа, межоперационные и межштамповые перемещения штамповок, межстаночные перемещения штамповок, складирование штамповок. Из перечисленных операций в настоящее время можно исключить из рассмотрения только две вспомогательные операции: подачу листа для резки и транспортирование к прессам. Все остальные операции следует рассматривать как подлежащие роботизации.
Указанные исходные данные могут служить основой для разработки специализированных ПР с различными техническими характеристиками, первым образцом которых являются, например, роботы «Циклон-ЗБ», ПРЦ-10 и ПР-10.
Исходя из перечисленных выше вспомогательных операций, подлежащих роботизации, указанные ПР в настоящее время выполняют следующие операции: складирование полос после резки на ножницах, загрузку-разгрузку штампа, межштамповые перемещения полуфабрикатов и разгрузку штампов, загрузку- разгрузку штампа и межстаночные перемещения.
Основные задачи, которые решаются в процессе роботизации листоштамповочного производства, являются как общими для робототехники в целом, так и специфичными для указанных процессов: упорядоченная подача исходного материала (карта, полоса) в точку захвата роботом, смазка поверхности материала’ транспортирование в рабочую зону пресса, точная укладка в матрицу штампа, контроль положения, съем штамповки, съем отходов или удаление высечки и т. д., контроль матрицы штампа, пуансона, транспортирование из рабочей зоны пресса, укладка в тару штамповки, укладка в тару высечки и т. д. Из перечисленных задач наиболее сложно выполнимыми являются подача полосы в зону штампа, контроль положения заготовки в матрице до штамповки и положения штамповки в матрице или на пуансоне после рабочего хода пресса, транспортирование высечки.
К специфичным условиям роботизированных процессов холодной листовой штамповки надо отнести и резкую смену конфигурации полуфабриката до и после штамповки, что влияет на конструкцию захватов.
Применение ПР изменяет существующие конструкции штампов. Это связано в первую очередь с требованиями точной фиксации штамповки до и после рабочего хода пресса, требованиями удаления отходов после каждого цикла или после серии циклов и т. д.
Общие требования при проведении работ по подготовке штампов для роботизированных процессов следующие: при раскрытии штампа (после окончания процесса формообразования) деталь должна оставаться в его нижней части, не теряя ориентации, штамп должен иметь автоматические выталкиватели для подъема из матрицы отштампованной детали и съема ее с фиксаторов; выталкивание отштампованной детали должно быть плавным и происходить без смещения детали в горизонтальной плоскости; фиксаторы и ловители должны обеспечивать правильность положения заготовки в штампе при установке ее с точностью не ниже точности позиционирования ПР; конструкция штампа (для разделительных операций) должна исключать возможность запрессовки отхода в деталь или детали в отход; штамп должен иметь автоматические устройства для удаления отходов из внутренних полостей или предусматривать возможность автономной установки таких устройств; если направляющие колонки мешают загрузке или разгрузке, то их следует устанавливать на верхней части штампа.
Р Как правило, существующие конструкции штампов рассчитаны на человека и предусматривают принудительное разделение высечки и детали за счет, например, выталкивателей, сбрасывателей и т. д. Поэтому роботизация действующего производства связана или с модернизацией существующих штампов или с проектированием новых штампов специально под ПР. Например, при применении робота «Циклон-ЗБ» на двухстаночных кривошипных прессах усилием (2500—3150) 103 Н в одном прессовом цехе из общего числа 270 штампов требовали: переноса направляющих колонок — 16 штампов, установки съемников — 186 штампов, установки толкателей для удаления высечки из полостей штампов —■ ПО штампов. Не требовалось модернизации только 31 штампа.
Исследования кинематики обрабатываемых деталей. На предприятиях машиностроения листоштамповочное производство сосредоточивается или в специализированных цехах или на участках. Анализ технологических процессов холодной листовой штамповки выявил следующие возможные структуры РТК-’ однономенклатурные позиции (робот-пресс), многономенклатурные позиции, однономенклатурные непрерывно-поточные линии (робот-пресс + + робот-пресс + ... + робот-пресс); многономенклатурные непрерывно-поточные линии, многономенклатурные прерывно-поточные линии.
В действующих технологических процессах до роботизации многооперационная штамповка (возможная «линия») может осуществляться или на одном прессе с промежуточным складированием в таре полуфабрикатов или на нескольких расположенных последовательно прессах. Роботизированный технологический процесс требует закрепления за прессами определенных операций (штампов) и упорядоченного движения штамповки по технологическому потоку с передачей штамповок из рабочей зоны одного ПР в рабочую зону последующего.
Определение требуемых ориентирующих степеней подвижности для ПР в прессовых цехах рассмотрим на примерах анализа кинематики предметов, обрабатываемых на одностоечных механических и гидравлических прессах усилием до 2500-103 И и на двухстоечных механических прессах усилием до 3150-103 И.
Характерной особенностью для роботизированных линий на основе одностоечных прессов является постоянное допустимое направление подхода схвата — а (ось ОУ). Остальные производственные направления подхода схвата исключаются наличием направляющих колонок (исключение подхода ±у), малым просветом между пуансоном и матрицей (рабочим ходом прессов). В роботизированных операциях с использованием вакуумных присосов реализуется подход к заготовке (штамповке) по оси OZ, т. е.±0.
Анализ расположения систем координат деталей относительно систем координат штампа выявил необходимость введения угла ±у для переориентации штамповки вне рабочих зон штампов (рис. 8.11). Нащрактике при использовании, например, робота 351
Рис. 8.11. Схема обоснования введения ориентирующей степени подвижности у при миогооперациоиной штамповке
«Циклон-ЗБ» создавались специальные приемно-ориентирующие устройства, разворачивающие полуфабрикат на требуемый угол для захвата его последующим ПР.
На рис. 8.12 показаны характерные схемы технологических
маршрутов холодной листовой штамповки на линиях двухстоечных прессов. Анализ размерных характеристик основного технологического оборудования и кинематики обрабатываемых заготовок (геометрические положения в штампах, число штампов на рабочем столе пресса) показал, что схемы /, На, 116, IVa, IV6, V могут быть полностью роботизированы на основе, например, робота «Циклон-ЗБ». Что касается схемы Ша и Шб, то технологические возможности ПР указанного типа могут не обеспечить реализацию геометрических положений заготовок согласно действующей оснастке. Это связано в первую очередь с недостатком числа ориентирующих степеней подвижности ПР, величиной вертикального хода руки (рук), числа программируемых точек по каждой координате.
Анализ расположения штампов на прессах (параллельная пли последовательная штамповка), конфигурация штамповок (круглая, прямоугольная и т. д.), расположение направляющих колонок позволяют сделать следующие выводы: допустимые производственные направления подхода схвата только а и +Р; кантование предметов на 3,14 рад требует введения движений по перехвату штамповки (ввиду допустимости подхода ±Р); штамповка с установкой на рабочей поверхности столов прессов двух и более штампов требует введения степени +у.
Остановимся на определении основных размерных характеристик. Выборочные данные по 142 позициям, оснащенным различными типами и типоразмерами прессов, показали следующее
no h,,:no h,,:распределениераспределениеhn, мО,Число предметов обработки, приходящихся на интервал hn . . .hn, мО,Число предметов обработки, приходящихся на интервал hn . . .устойчивое статистическое
no h,,:
no h,,:
распределение
распределение
hn, мО,
Число предметов обработки, приходящихся на интервал hn . . .
hn, мО,
Число предметов обработки, приходящихся на интервал hn . . .
—0,8 0,8—0,9 0,9—1,0 1,0—1,1 1,1 —1,2
1620234736
На основании принятых статистических показателей йср = = 1,0 м; о^ = 0,08. Тогда hm\n = 0,75 м; /imax = 1,25 м; аср = = 0,56 м; g^ = 0,05; amin = 0,41 м; атах = 0,71 м.
Приведенные данные характеризуют обобщенную статистическую рабочую зону прессового оборудования.
352
Роботизаций одностоечных механических и гидравлических прессов усилием до 2500-10s Н. Рассмотрим пример организации трех автономных роботизированных позиций на операциях холодной штамповки, оснащенных роботом «Циклон-ЗБ». Если деталь цилиндрической формы формируется на прессе мод. К0032 усилием 10е Н, то используют ПР с двумя руками (левая загружает штамп, правая — разгружает). В качестве подающего устройства применяют лоток, приемного — тару. На прессах КД1428 усилием 630-103 Н осуществляют последовательную многооперационную штамповку двух деталей. Для подачи заготовок разработан специальный механизм (вибробункер), принцип работы которого следующий. В чашу бункера загружаются заготовки, которые при помощи сил вибрации двигаются по лотку до ориентирующей планки. Ориентированные заготовки далее по лотку попадают в кантователь и по дуге направляющих планок силой собственного веса опускаются до отсекателей пневмоцилиндра. После соответствующей команды отсекатели цилиндра освобождают поштучно заготовки до упора (т. е. точки захвата их ПР).
Один из РТК построен по схеме взаимодействия человека и ПР. Роботизированная позиция (рис. 8.13) включает две единицы основного технологического оборудования — токарный станок и
пресс. Выполняется следующий цикл работ: 1) на токарном станке 1 формируется конус заготовки (загрузка, управление станком и разгрузка осуществляются человеком); 2) обработанную деталь рабочий устанавливает в подающий лоток 2 в строго ориентированном положении; 3) по сигналу датчика о наличии заготовки в подающем лотке по команде от пульта управления 6 рука робота 5 выдвигается, зажимает деталь, отходит и поворачивается на 2,79 рад;
Рис. 8.12. Схемы технологических маршрутов при многооперациоииой штамповке на двухстоечных кривошипных механических прессах:
1 — VIII — варианты 0 —- подающее1 — VIII — варианты 0 —- подающеерсбот;рсбот;емное устройствоемное устройствокомпоновок;устройство;
1 — VIII — варианты 0 —- подающее
1 — VIII — варианты 0 —- подающее
рсбот;
рсбот;
емное устройство
емное устройство
12 Шифрин Я. А. и др.12 Шифрин Я. А. и др.ГхЗ — при-
12 Шифрин Я. А. и др.
12 Шифрин Я. А. и др.
Рис. 8.13. Планировка РТК. работающего по схеме человек-роботРис. 8.13. Планировка РТК. работающего по схеме человек-роботРис. 8.14. Общий вид робо- тотизироваииой позиции (холодной штамповки)Рис. 8.14. Общий вид робо- тотизироваииой позиции (холодной штамповки)
Рис. 8.13. Планировка РТК. работающего по схеме человек-робот
Рис. 8.13. Планировка РТК. работающего по схеме человек-робот
Рис. 8.14. Общий вид робо- тотизироваииой позиции (холодной штамповки)
Рис. 8.14. Общий вид робо- тотизироваииой позиции (холодной штамповки)
4) робот 5 загружает и разгружает пресс 3 (рука робота вводит деталь в штамп, устанавливает, схват разжимается, но остается в рабочей зоне, робот дает команду на рабочий ход пресса); 5) после рабочего хода пресса 3 схват зажимает деталь, и рука отходит; 6) схват разжимается, и деталь падает в тару 4; 7) рука поворачивается на 2,79 рад к токарному станку 1, и цикл повторяется. Робот выполнен в одноруком варианте. Контроль наличия детали в штампе определяется косвенно датчиком, установленным непосредственно на схвате руки робота.
Рассмотрим позиции холодного формования на механическом и гидравлическом прессах. На рис. 8.14 показана роботизированная позиция формовки двух деталей: рубашки — труба 0 60 X ХбО мм, трубки — труба 0 38X75 мм. На данном РТК применен робот «Циклон-ЗБ» 5 с двумя руками, что позволило повысить производительность оборудования на 20 %. Работа организована следующим образом. Исходные заготовки одного наименования поступают на позицию в общей таре 3 навалом. Оператор-наладчик отбирает их и укладывает в подающий лоток 2 в строго ориентированном положении. Одна рука ПР (правая) захватывает заготовку из подающего лотка и укладывает в штамп пресса 1. Другая рука (левая) разгружает штамп и транспортирует деталь в приемный лоток 6, из которого детали падают в тару 7. Особенностью подающего лотка является его двусторонняя или двухручьевая конструкция, позволяющая во время разгрузки одного ручья вручную загружать другой. Емкость каждого ручья 20 заготовок. После того как будет исчерпана емкость одного ручья, наладчик-оператор вручную поворачивает лоток на 3,14 рад и ПР продолжает работу.
Приемный лоток также можно поворачивать вокруг оси, обеспечивая равномерное заполнение тары. Цикл ПР построен следующим образом: одновременно выдвигаются обе руки и захватывают детали (правая — в лотке, левая — в штампе); подъем рук и поворот на 1,57 рад; опускание рук (правая укладывает деталь 354
, рис. 8.15. РТК холодного выдавливания иа основе ПР «Универсал-50»
■ в штамп, левая сбрасывает готовую деталь на приемный лоток).
В РТК применена блокировка цикла ПР при заклинивании де- = талей в матрице штампа. Осуществляется она следующим образом. Готовая деталь после разжима схвата левой руки падает на подвижную пластину, соединенную с микровыключателем. Микро-
1 выключатель подает команду СПУ 4 робота на продолжение ра- / боты. Если деталь осталась в матрице и ПР не сбросил ее на подвижную пластину, останавливается работа всего оборудования; ■ обе руки отходят. Команда на рабочий ход пресса; поворот рук ■ на 1,57 рад, и цикл повторяется.
; В процессе рабочего цикла осуществляется также впрыскива- ‘ ние масла в верхнюю полость заготовки, установленной в штамп.
Впрыскивание — по команде от СПУ ПР. По технологическому процессу до роботизации на позиции работало двое рабочих в смену (один погружал детали в масло, другой — штамповал). Таким образом, ПР заменил двух рабочих в смену.
Рассмотрим особенности организации двух роботизированных позиций (рис. 8.15, а) холодной формовки концов труб тяг длиной от 180 до 400 мм. Каждая позиция состоит из двустоечных гидравлических прессов / мод. Д2434А, ПР «Универсал-50М» 5, двух
12*355
подающих лотков-склизов 2 для коротких и длинных заготовок, двух приспособлений для формовки концов длинных и коротких труб, двух приемных ящиков 3 для складирования готовых деталей, электроавтоматики 4 шкафа.
Циклограмма работы ПР состоит из следующих основных переходов: из исходного положения выдвигается рука и захватывает заготовку, находящуюся на лотке-склизе; поворот руки с заготовкой к прессу; выдвижение руки в рабочую зону приспособления, разжим схвата, и деталь через направляющую втулку попадает в формовочный ручей приспособления; отход руки и команда от СПУ ПР на рабочий ход ползуна пресса; рабочий ход ползуна (вниз-вверх). Деталь подается выталкивателем приспособления над плоскостью штампа и зажимается клещами приспособления; ПР выдвигает руку, зажимает деталь, подает команду на разжим приспособления и выносит деталь из рабочей зоны пресса, поворот схвата на 3,14 рад (180°) и выдвижение руки в рабочую зону пресса. Далее переходы повторяются; после формовки второго конца трубки рука ПР транспортирует деталь к ящику для сбора готовых деталей, происходит разжим схвата и деталь падает в тару; поворот руки в исходное положение, и далее циклограмма повторяется.
Схема размещения формируемых труб при основных переходах показана на рис. 8.15, б. Особенностью оснащения РТК является разработка механизма автоматической перенастройки хода ползуна через раз на величину удлинения детали (3 мм). Подобная перенастройка позволяет получать за один цикл деталь, отформованную с двух концов без переналадки приспособления (до роботизации прессовщица формовала один конец тяги из всей партии, потом перестраивала штамп на величину 3 мм и формовала второй конец тяги).
Роботизация двухстоечных механических прессов усилием до 3150-103 Н. Рассмотрим более подробно особенности технологической проработки действующих технологических процессов на линиях двухстоечных механических прессов. Согласно действующим технологическим процессам предусматривается штамповка с участием двух рабочих: основного (штамповщика), выполняющего функции по загрузке штампа и включению рабочего хода пресса, и вспомогательного (разгрузчика), выполняющего функции по съему штамповки со штампа, складированию ее или передачи полуфабриката на следующую операцию. Исходя из этого, схема роботизации предусматривает установку у каждого пресса двух ПР: робота-штамповщика и робота-разгрузчика, выполняющих функции, аналогичные функциям, выполняющими основным и вспомогательным рабочими.
Можно рекомендовать три основных этапа построения роботизированных процессов: установка только роботов-разгрузчиков при сохранении человека-штамповщика; установка роботов-разгрузчиков и роботов-штамповщиков с ручной перекладкой полу-
рис. 8.16. РТК на основе двухстоечного пресса:1 — пресс модели К3534А; 2 — тара для приема штамповок; 3 — ПР; 4 — электрошкаф; 5 — система подготовки воздуха; 6 — пульт СПУ; 7 — стол для подачи заготовок; 8 — тара для отходоврис. 8.16. РТК на основе двухстоечного пресса:1 — пресс модели К3534А; 2 — тара для приема штамповок; 3 — ПР; 4 — электрошкаф; 5 — система подготовки воздуха; 6 — пульт СПУ; 7 — стол для подачи заготовок; 8 — тара для отходов
рис. 8.16. РТК на основе двухстоечного пресса:
1 — пресс модели К3534А; 2 — тара для приема штамповок; 3 — ПР; 4 — электрошкаф; 5 — система подготовки воздуха; 6 — пульт СПУ; 7 — стол для подачи заготовок; 8 — тара для отходов
рис. 8.16. РТК на основе двухстоечного пресса:
1 — пресс модели К3534А; 2 — тара для приема штамповок; 3 — ПР; 4 — электрошкаф; 5 — система подготовки воздуха; 6 — пульт СПУ; 7 — стол для подачи заготовок; 8 — тара для отходов
фабрикатов вне зоны штамповки (сокращение в 2 раза требуемого количества рабочих-штамповщиков и улучшение безопасности труда); полностью автоматизированная работа линии с использованием роботов-штамповщиков и роботов-разгрузчиков, а также подачей штучной заготовки для первой операции специальным подающим устройством и наличием автономных межоперационных передающих столов.
Рассмотрим конкретные особенности построения РТК на основе вышеизложенных технологических проработок. В качестве примера на рис. 8.16 показана роботизированная позиция штамповки деталей на прессах К3534А усилием 2500-10® Н. Особенностью схем роботизированных процессов является установка двух штампов (параллельная штамповка), что приводит к наладке ПР на двурукую схему, двойные позиции для подачи заготовок 5 и две тары для приема штамповок 6. Установка манипуляторов также требует специальных геометрических расчетов, связывающих межштамповое расстояние, эксцентриситет оси поворота руки относительно оси симметрии стола пресса, расстояния от фронтальной (продольной) оси стола пресса до оси поворота руки.
Анализ операционных эскизов показывает, что их геометрические контуры требуют создания нескольких типов захватных устройств, например вакуумных, клещевых. Принципиальной особенностью всех рассматриваемых роботизированных технологических процессов является разработка схем удаления штамповки, а также высечки, обсечки и т. п. Вакуум обеспечивается специальными эжекторами, укрепленными на кронштейне схвата.
В процессе формования и пробивки возникают геометрические контуры штамповок, которые могут удаляться только клещевыми захватами. Кинематика заготовок (или их геометрических положений), например крышек, по технологическим маршрутам требует кантования штамповок после определенных операций. Такие манипуляции робот «Циклон-ЗБ» может совершать только е перехватом, т. е. межоперационным базированием, разжимом» пово- 357
ротом схвата и последующим зажимом. Вообще таких манипуляций необходимо избегать и стараться строить роботизированные технологические процессы без поворота штамповок вокруг продольной оси руки ПР. Ограниченные размерные перемещения руки по вертикали (подъем-опускание) потребовали создания переналаживаемых захватов с регулировкой 100—150 мм относительно неподвижной продольной оси руки.
Рассмотрим процесс изготовления детали типа крышки на роботизированной позиции. Технологический маршрут состоит из четырех операций, последовательно выполняемых на одном прессе. Рабочий-оператор укладывает заготовку на стол, и датчик, установленныый на базовой поверхности стола, фиксирует наличие детали и разрешает подать команду на начало рабочего цикла. Робот-штамповщик, рука которого оснащена вакуумным схватом, захватывает заготовку, транспортирует ее к прессу, укладывает в штамп и дает команду на включение рабочего хода ползуна пресса. По возвращении ползуна в верхнее положение подается команда роботу-разгрузчику на выполнение функций по разгрузке пресса. Рука робота-разгрузчика, оснащенная также вакуумным схватом, захватывает полуфабрикат и отход, выводит их из зоны штампа и укладывает в тары сначала отход, а затем полуфабрикат. При осуществлении этого перехода робот-разгрузчик дает команду роботу-штамповщику на повторение цикла. Робот-штамповщик начинает повторение рабочего цикла только по получении двух команд: от робота-разгрузчика и от датчика, установленного на столе для подачи заготовок. Таким образом, ПР выполняют функции рабочих по загрузке-разгрузке прессов, их включению и складированию полуфабрикатов и отходов. Коммутация систем программного управления роботов с электроавтоматикой пресса осуществляется через специальный технологический электрошкаф.
При выполнении последующих операций по технологическому процессу сохраняются число и последовательность переходов, длины и характер траекторий рабочих перемещений исполнительных органов манипуляторов. Необходимо лишь заменить операционные устройства (схвата) в связи с происходящими в процессе обработки формообразованиями полуфабриката. Если на первой операции ПР оснащены вакуумными схватами, то на второй и третьей операциях ПР (у других прессов) оснащают клещевыми схватами. Следует отметить определенные трудности с удалением из полостей штампов высечки напровал. Одно из решений — периодическое удаление накопившейся высечки рабочим-оператором, другое — разработка автономных толкающих устройств, циклически сбрасывающих высечку в специальную тару (лоток и т. д.).
Выше говорилось о недостаточной величине вертикального хода руки (рук). Технологически это выражается в том, что программа обучения может быть построена только на фронтальных (между направляющими колонок штампов) подходах схвата с за- 358
готовкой в рабочую зону штампов. Это связано с определенными трудностями. Поэтому дальнейшая модификация подобных ПР должна быть направлена в первую очередь на увеличение вертикального хода руки, что позволит перемещать предметы при межоперационных транспортных перемещениях над штампами (колонками). Такой вариант требует введения в общем случае ориентирующей степени подвижности для разворота заготовки в горизонтальной плоскости вокруг вертикальной оси. Подобная степень подвижности разработана, изготовлена и смонтирована на одном из роботов «Циклон-ЗБ».
Кратко отметим следующие основные особенности роботизированных технологических процессов на основе робота «Циклон-ЗБ».
Влияние вида исходного материала. Полностью роботизированный технологический процесс должен иметь исходную заготовку в виде карты, с подачей специальным подающим устройством штучной заготовки роботу-штамповщику для осуществления первой операции. При сохранении первой операции (штамповка из полосы) робот-штамповщик отодвигается в сторону для осуществления этой операции человеком (или монтируется специальный полосоподаватель).
Влияние числа операций. Роботизированный технологический процесс при многооперационной штамповке должен иметь передающие столы, выполняющие функции ориентации полуфабриката и размерной компенсации разности уровней зеркал матриц штампов на соседних прессах по технологическому маршруту.
Влияние конфигурации штампуемых деталей. При сохранении принципа свободного выбора на линии начала технологических маршрутов требуется оснащение каждого ПР переналаживаемыми захватными устройствами: вакуумными, клещевыми, магнитными.
РОБОТИЗАЦИЯ ПРОЦЕССОВ МЕХАНИЧЕСКОЙ ОБРАБОТКИ деталей НА МЕТАЛЛОРЕЖУЩИХ СТАНКАХ
Особенности разработки РТК. В отличие от структур РТК в заготовительном производстве, построенных, как правило, по позиционному принципу робот—пресс, в металлообрабатывающих цехах существуют самые разнообразные структуры, в которых роботы обслуживают от одного до нескольких станков. На рис. 8.17 показаны некоторые схемы РТК. Определяя области применения ПР в металлообрабатывающих цехах, следует исходить из того, что в первую очередь должны быть роботизированы поточные и групповые линии. ПР органично встраиваются в упорядоченную и систематизированную структуру производственного потока, имеющего строгую цикличность в осуществлении основных и вспомогательных операций. Роботизация производств, построенных по специализированным технологическим признакам (токарные, фрезерные, сверлильные и т. д. участки и цеха), связана 359
с применением сложного транспортного и складского хозяйства, ЭВМ и т. д. Поэтому только групповые поточные методы обработки позволяют создавать комплексные роботизированные производства.
Создание РТК в металлорежущих цехах связано с решением следующих специфичных задач: выбора поточной линии, металлорежущего оборудования, станочной оснастки, контроля обработанной детали, создания транспортно-подающих устройств (для первого робота в роботизированном потоке) и приемо-передающих устройств (для связи роботизированных позиций или участков), уборки стружки, создания электроавтоматики комплекса (системы управляющих команд и контрольно-информационная).
Приведем краткую техническую характеристику некоторых выделенных задач.
Выбор поточной линии. Особенностью роботизации технологических процессов в металлообрабатывающих цехах является исследование влияния различных организационно-технических факторов производства на размерную, манипуляционную и т. п. взаимосвязь ПР с основным и вспомогательным технологическим оборудованием. В табл. 8.7 приведены основные типы, виды и организационные методы производств, рассматриваемые как объекты перспективной роботизации.
По очередности роботизации указанных в таблице классификационных группировок поточных линий их можно расположить в следующей последовательности: ОНПЛ-1, ОНПЛ-2, ОППЛ-1, гзпгт гг о
360
8.7. Основные типы, виды и организационные методы производств
О g
Основные виды технологических процессов
Организационные методы производства
Поточная линия
Степень непрерывности движения предметов по линии
Технологическое оснащение
Условные индексы
со о
cd
§
Единичные
Непоточный
—
_
—
Поточный
Однопредметная
Непрерывно-поточные
Без переналадки С переналадкой
ОНПЛ 1
ОНПЛ-2
Прерывнопоточные
Без перэ- наладки С переналадкой
ОППЛ-1
ОППЛ-2
CD О X
S
CD
О
Типовые
Многопредметная переменнопоточная и комплектно-групповая
Непрерывно-поточные
мнпл
Прерывнопоточные
мппл
Групповые или типовые
Непоточный
—
Групповые
Поточный
Многопредметная партионногрупповая
Прерывнопоточные
С переналадкой
мгпл
CD
§ Е Ш s
X
Единичные
Непоточный
—
—
—
—
Выбор металлорежущего оборудования. Рассмотренные выше РТК в заготовительном производстве построены на использовании кузнечно-прессового оборудования, работающего в полуавтоматическом режиме. В этом отношении состав металлорежущего оборудования в механических цехах на предприятиях машиностроения отличается большим диапазоном по степени механизации и автоматизации движений рабочих органов. Все металлорежущее оборудование можно разделить на четыре группы по уровню их автоматизации.
361
Ручное закрепление предметов в оснастке и ручное управление рабочими органами станка.Ручное закрепление предметов в оснастке и включение рабочего цикла станка.Механизированное закрепление предметов в оснастке и ручное управление рабочими органами станка.Ручное закрепление предметов в оснастке и ручное управление рабочими органами станка.Ручное закрепление предметов в оснастке и включение рабочего цикла станка.Механизированное закрепление предметов в оснастке и ручное управление рабочими органами станка.
Ручное закрепление предметов в оснастке и ручное управление рабочими органами станка.
Ручное закрепление предметов в оснастке и включение рабочего цикла станка.
Механизированное закрепление предметов в оснастке и ручное управление рабочими органами станка.
Ручное закрепление предметов в оснастке и ручное управление рабочими органами станка.
Ручное закрепление предметов в оснастке и включение рабочего цикла станка.
Механизированное закрепление предметов в оснастке и ручное управление рабочими органами станка.
Рис. 8.18. Гистограмма распределения количества рабочих мест по видам оснастки (на примере одного из цехов);
— оправки гладкие; 2 — центр; 3 — трех* кулачковые патроны; 4 — цанговые зажимы;
— оправки шлицевые с поводком; 6 — пазы (отверстия); 7 — пальцы; 8 — призмы; 9 — мембранные патроны; 10 — прочие патроны;
— специальные приспособления
Механизированное закрепление предметов в оснастке и включение рабочего цикла станка.
Анализ производств (рассматривались только поточные линии) показал, что есть линии, укомплектованные станками четвертой группы на 100 %, есть линии, состоящие только из станков первой группы, а наибольший процент составляют линии со смешанным составом оборудования. Отсюда очевиден выбор первоочередных объектов для роботизации, с точки зрения оснащения РТК полуавтоматами, а также оценки или возможности перевооружения станочного парка для перспективной роботизации, или определения объема работ по модернизации станков с целью их превращения в полуавтоматы.
Следует также выделить задачу сокращения номенклатуры станков. Например, анализ около 40 поточных линий обработки деталей тел вращения позволил установить следующее число моделей станков по отдельным типовым операциям: фрезерноцентровальные станки — 4 мод., токарные станки — 12 мод., шлифовальные станки— 15 мод., сверлильные станки — 5 мод. и т. д. (рассматривались линии с размерами обрабатываемых деталей до 0 120X400 мм). Такое многообразие резко увеличивает объем проектных работ в научно-исследовательских институтах и на предприятиях по созданию РТК-
Выбор станочной оснастки. На рис. 8.18 показана гистограмма распределения операций по типам станочной оснастки. Оценка станочной оснастки производится по трем признакам: степени механизации, точности базирования, траектории установочных движений руки ПР.
Исходя из требуемого характера работы зажимных элементов приспособлений, применение ПР исключает такие типы оснастки, как патроны с ручным зажимом, поводковые патроны для хомутиков и сами хомутики, гладкие оправки.
362
Исследования кинематики обрабатываемых деталей. Рассмотрим влияние ориентирующих степеней подвижности. В отличие от вышеизложенных исследований обрабатываемых деталей в заготовительных производствах (в основу которых положен главным образом позиционный принцип робот—пресс) в металлорежущих цехах существуют самые разнообразные схемы построения РТК, влияющие на характеристики ПР. Поэтому целесообразно показать закономерности изменения различных сочетаний требуемых ориентирующих степеней подвижности в зависимости от числа основного оборудования в t-м РТК по технологическому маршруту. Это связано в общем случае со значительными величинами основных (машинных) времен по отношению к вспомогательным временам при обслуживании металлорежущего оборудования.
На основании разработанных методических положений был проведен анализ кинематики предметов, обрабатываемых на поточных линиях, и получены следующие основные выводы: 1) обработка деталей типа тел вращения характеризуется устойчивыми допустимыми производственными направлениями по осям OY и OZ, и, следовательно, требуются ориентирующие степени подвижности а и ар (рис. 8.19, а, б); 2) обработка деталей типа рычагов, корпусов (рис. 8.19, в, г), кронштейнов и т. д. характеризуется не только разнообразными допустимыми подходами схвата к предметам, но и резкими изменениями в расположении систем координат предмета в системах координат рабочих зон технологического оборудования, и, следовательно, требуются максимальные сочетания ориентирующих степеней ару; 3) обработка деталей типа рычагов, корпусов, кронштейнов и т. д. характеризуется появлением таких состояний во взаимном расположении систем координат предмета относительно систем координат рабочих зон оборудования, которые требуют кантования К или перехвата предмета ПР. Как пример, на рис. 8.20 показана динамика изменения требуемых ориентирующих степеней подвижности при увеличении числа станков в i-x РТК по технологическим потокам.
Рассмотрение статистических данных по сочетаниям ориентирующих степеней подвижности выявило в общем хаотичное распределение тех или иных сочетаний по технологическим потокам (для несимметричных деталей типа рычагов и т. д.). Однако общая тенденция в изменении ориентирующих степеней подвижностей проявляется четко — неуклонное повышение удельного веса сочетаний оф и сфу и числа позиций с кантованием (перехватом) предмета обработки.
Влияние основных размерных характеристик оценим, рассмотрев результаты исследований статистических массивов по расположению предметов в рабочих зонах технологического оборудования. В качестве основных характеристик примем: высоту установки предмета от уровня пола hn на i-x станках по технологическим потокам, глубину установки предмета от фронта обору- 363
Порябкобые номера станков
6)
Лорявкобые номера станков и станка - операций.
115в5678
ц
к
К
К
ар
К
аР
К
с
К
к
к
ар
К
«Р
к
птически
a (ар)
«6(00 8)
«0 6
aft
«08
ар
«1
в)
Порядксбые номера станкоб и станко - операций.
г
3
4
5
6
7
а
9
Х
У
У
aZ
У
1Z
У
1Z
X
У ^^^
у
у Lv
aZ
_4у х
aZ
х
У
.2
X
1Z
X
Ц
К
tx
к
«8
а
к
с
К
«0
«0
к
«08
«03
«0
к
тически.
at
а
а
ag
аз
а
а$
а)
Рис. 8.19. Примеры кинематики деталей тел вращения типа валов (а), дисков и фланцев (б), рычагов (в), корпусов (г); Я, Ц, С — обо значение движений рабочих органов манипулятора соответственно в прямоугольной, цилиндрической и сферической системе координат, а, р, у — характеристики корпусных направлений (зон) подхода схвата к детали (см. рис. 8.4)
Рис. 8.20. Изменение требуемых ориентирующих степеней подвижности в зависимости от числа единиц оборудования N в РТК:
а — сочетания а; б — сочетания ар; в — сочетания ару; 1 — цех 1; 2 — цех 2; 3 — цех 3; 4 — цех 4
дования а1п перепад высот предметов на станко-операциях по технологическому потоку +А/гп.
Выше были изложены основы статистического подхода к оценке рабочих зон манипуляторов исходя из распределений деталей по интервалам характеристик Нп и ап. Было принято положение, что обобщенные статистические показатели /гср, <5ср, он, оа определяют так называемую зону наибольших манипуляционных возможностей. На рис. 8.21 показаны диаграммы, наглядно характеризующие статистические распределения предметов в рабочих зонах металлорежущего оборудования. Такие сравнительные диаграммы показывают соответствие рабочих зон манипуляторов с различными компоновками на охват статистических объемов рабочих зон оборудования.
На основе расчетов статистических показателей, построенных по результатам обработки данных ряда поточных линий с общим числом станков 950, получены следующие итоговые данные: йср = 1,15 м; аср 0,43 м; oh — 0,06; оа = 0,03. Тогда обобщенная рабочая зона технологического оборудования будет определяться следующими величинами: hmW = 0,85 м; Атах = 1,35 м; ^mln 0,36 М, ^тах 0,5 М.
Оценка влияния грузоподъемности ПР связана с тем, что число станков в роботизированных потоках, а следовательно, и ПР с определенной грузоподъемностью изменяется в диапазонах от 6—10 до 40—60 и более станков.
Рассмотрим изменение массы груза тг в функции числа станко- операции jVo. В диапазонах от 30 до 100 кг они близки к параболической кривой и в диапазонах менее 30 кг — к линейным зависимостям (рис. 8.22). При подобных исследованиях следует 366
иметь в виду количество станков на Рй операции. На рис. 8.22 это выражается в горизонтальных площадках на том или ином уровне mr. Если принять допущение, что тг изменяется во всех диапазонах по линейным зависимостямZ
(отметим, что диапазоныу
связываются стипажамиу
ПР по «грузоподъемно-s-
сти», например, дляК§
предприятий станко- строительной и инструментальной промышленности приняты такие диапазоны: 10—20, 20— 40, 40—80 кг и т. д.), то, как пример, приве--
дем следующие значе--
ния углов наклона ^ прямых mr — f (MJ от--
носительно оси абсцисс:I
Масса 100—6063—32
груза
4', °7755
Масса 32—12,5 12,5—5 груза
Ц?, °2312
Масса груза5—2
■ф, °2
Следовательно, на ос- у нове номограмм тг—Nn - можно рассчитать требуемое число ПР по Z грузоподъемности.1
Роботизированная ? I линия механической об- ^§ работки деталей типа тел вращения. Рассмотрим основные принципы построения и особенности в разработке нестандартного (вспомога-:
тп,кг
Рис. 8.22. Диаграмма изменения массы деталей по технологическим потокам:
1 — барабан заднего тормоза; 2 — картер редуктора; 3 — маховик; 4, 5 — ступицы соответственно заднего и переднего колеса; 6 — ведомое цилиндрическое зубчатое колесо; 7 — полуось; 8 — головка цилиндра; 9 — ведущее цилиндрическое зубчатое колесо; 10 — первичный вал коробки передач; 11 — рейка поршня рулевого управления; 12 — гильза Цилиндра в сборе; 13 — вал сошки рулевого управления
тельного) технологического оборудования на примере механической обработки детали «вал вторичный» коробки передач мотороллера.
Характеристика детали: заготовка — штамповка, полученная методом редуцирования и высадки на гидравлическом прессе. Масса черновая — 0,48 кг, масса чистовая — 0,3 кг. Материал — сталь 12ХН2. Программа выпуска — 100 тыс. шт. в год.
Действующий до роботизации технологический процесс не был построен по поточному методу с однооперационной наладкой на каждом станке. За каждым станком было закреплено по нескольку операций, детали транспортировались большими партиями от станка к станку, которые к тому же были расположены в цехе по групповому принципу (токарные, шлифовальные, фрезерные и т. д.). Вследствие этого транспортные перемещения занимали значительное время, а у станков скапливалось большое количество полуфабрикатов.
Весь технологический процесс механической обработки состоит из 13 операций, из которых в настоящее время роботизированы первые восемь. Роботизированная линия состоит из восьми металлорежущих станков, обслуживаемых четырьмя роботами «Универсал-5.01». Каждый ПР обслуживает по два станка, образуя роботизированный участок или секцию поточной линии. 368
Связь между секциями осуществляется приемо- передающими устройствами ППУ — накопителями.
Построение роботизированного технологического процесса потребовало некоторого изменения действующего технологического процесса. Так, например, проточку канавок осуществляли в две операции на универсальном станке 161А, а на роботизированном участке — в одну операцию на станке 1Е61МФ2 по программе. Шлифование шеек производилось на одном станке 312М без активного контроля, с использованием ручных измерительных инструментов, а на роботизированных участках — с активным контролем на двух станках ВТ-53. Накатывание резьбы производилось до шлифования шеек, а на линии — после шлифования на участке № 4 (станок UPW).
При рассмотрении кинематики движения детали можно, в первом приближении, рекомендовать робот «Циклон-ЗБ». Однако анализ кинематики движения детали, требуемые перемещения и допустимые направления подходов схвата к предмету показали, что робот «Циклон-ЗБ» не удовлетворяет требованиям роботизированной технологии. Так, например, на участке № 1 производственные направления подхода схвата а, осуществимы для всего оборудования (основного и вспомогательного), но выставление всех рабочих зон на определенную фиксированную высоту (вертикальный ход программируется только по двум точкам) делает задачу невыполнимой.
На участке № 2 сохраняется подход а, но требуется снятие обработанных деталей с переднего центра, что невыполнимо из-за наличия только четырех точек по повороту руки вокруг вертикальной оси (требуется дополнительный поворот руки для снятия детали с центра). На участках № 3 и 4 компоновка шлифовальных станков с приборами активного контроля и защитными кожухами исключает подход а и требуются ориентирующие степени подвижности а + р. Это же относится и к резьбонакатному станку.
Поэтому выбор робота «Универсал-5.01» обусловлен именно кинематикой движения предмета обработки. Здесь также следует отметить одно из преимуществ робота «Универсал-5.01» — относительно свободное расположение станков и приемно-переда- юдих устройств на участках, что связано с дополнительным программируемым поворотом руки (возможность параллельной установки руки относительно направления оси ОУ).
Модернизация основного оборудования. Выше отмечалось, что роботизация механической обработки возможна только с основным оборудованием, работающим в полуавтоматическом цикле и отвечающим требованиям кинематики манипуляторов ПР. В табл. 8.8 приведены основные требования к модернизации станков МР-71М и ВТ-53.
Оснастка. Точность позиционирования робота «Универсал-5.01» составляет ±2 мм, поэтому ПР не всегда имеет возможность устанавливать деталь непосредственно в оснастку (например, 369
8.8. Основные требования к модернизации станков
Те х но до г и чес к ий
Движения
рабочих
Степень
Требования
подход
органов
стайка
механизации
к модернизации станка
Установить заготовку в приспособление (на призму)
—
Вручную
—
Закрепить заготовку
Рабочий цикл станка: начало
окончание
Раскрепить деталь
Перемещение фрезерной н сверлильной головок
Автоматически
Установить пневмо- цнлиндр для досылки толкателем детали по команде от робота
Команда от робота
Команда к роботу Команда от робота на отвод толкателя пневмоцилиндра; команда от робота на раскрепление детали
Снять обработанную деталь
—
Вручную
—
Фрезерно-центровальный
станок МР-76
Круглошлифовальный станок ВТ-53
Установить заготовку
—
Вручную
Наличие механизма
в рабочую зону
для досылки детали в патрон н приемных призм для базирования на линии центров
Закрепить заготовку
Перемещение пиноли задней бабки
Автоматически
Установка или центробежного патрона или цангового зажима; перемещение пиноли по команде от робота
Рабочий цикл станка: начало
Подвод шлифовальной бабки, перемещение стола, включение подачи СОЖ
То же
Команда от робота; установка прибора активного контроля
окончание
Отвод шлифовальной бабки, остановка перемещения стола, выключение подачи СОЖ
Вручную
Команда к роботу от прибора активного контроля и от датчика шлифовальной бабки; команда от робота
Раскрепить обработанную деталь
Отвод пиноли задней бабки
Автоматически
Команда от робота
Снять обработанную деталь
Вручную
в цангу, на палец или оправку и т. п.). При такой точности и применяемых схемах базирования принят принцип предварительной установки детали на специальные призмы с досылкой до упора в базовые поверхности специальными пневмоцилиндрами. Это относится ко всем применяемым станкам. Например, на фрезерно-центровальном станке робот укладывает деталь в призмы, и пневмоцилиндр досылает, деталь до упора в базовый торец (движение досылки — по команде от системы ПУ ПР). На токарных станках применяется две схемы укладки: в жесткие призмы (установка по оси 0Z) и в подпружиненные призмы (установка по оси OF).
Вторая схема позволяет сократить циклограмму ПР за счет исключения двух движений при загрузке или разгрузке станков.
Отметим, что призмы во время рабочего цикла станков отводятся с линии центров с помощью пневмоцилиндров (по командам от системы ПУ ПР). После окончания рабочего цикла призмы снова выставляют на линию центров для улавливания детали после отвода пиноли задней бабки. Призмы устанавливают таким образом, чтобы деталь после зажима ее пинолью задней бабки поднялась с призм (на 1,0—1,5 мм) на линию центров. Контроль зажима детали в центрах токарных и шлифовальных станков осуществляется датчиками, которые фиксируют ход пиноли задней бабки в зависимости от трех положений: упора центра пиноли в торец детали (блокировка ПР), попадания центра пиноли в центровочное отверстие детали при заданном перемещении (продолжение рабочего цикла ПР), движения центра пиноли свыше заданного перемещения (блокировка ПР).
Подающие и приемно-передающие устройства. Подача заготовок на первый участок (секции) роботизированной линии обеспечивается подвесным конвейером, проходящим через всю линию (от четвертого к первому участку).
Приемно-передающие устройства ППУ представляют собой накопители-транспортеры вертикального типа. Емкость подобных устройств — 34 заготовки. Устройство приводится в действие по команде от системы ПУ ПР. Заготовки располагаются на подвесных качающихся призмах, выполненных в виде люльки. Особенностью работы ППУ является наличие датчика контроля положения детали (люльки) в точке захвата ее ПР или приема детали от него.
Контроль размеров обрабатываемых поверхностей на станках МР-76А, 1Е61МФ2 и HPW подетально не производят. После токарных операций на станках 1А616С производят автоматический контроль диаметров каждой детали на контрольно-измерительном устройстве КИУ. Это устройство представляет собой специальный полуавтомат для относительных измерений диаметров вала элек- троконтактными датчиками типа КДМ-13, укрепленными на кронштейнах прибора. По команде «Разрешаю» ПР устанавливает деталь на призму, предварительно фиксируя ее на линии центров. После установки и разжима схвата ПР дает команду на включение 371
КИУ. Измеряемую деталь зажимают между центрами с помощью пневмоцилиндра. Для измерения диаметров деталь приводят во вращение через червячную пару от асинхронного электродвигателя. Скорость вращения детали 46 об/мин. Настройку датчиков производят по эталонной детали. Если контролируемые размеры находятся в пределах поля допуска, то циклограмма ПР не блокируется. Время^измерени.Н— 2 с.
Инструмент. Обрабатываемый материал на токарном станке образует сливную стружку, которая периодически наматывается на деталь, инструмент или приспособление. На роботизированной линии для дробления стружки на станках 1А616С с максимальным съемом металла приме гена специальная геометрия заточки режущих кромок резцов. Наибольшая длина стружки 30—40 мм.
Техника безопасн ?сти. Для обеспечения безопасности оператора-наладчика в прзцессе работы линии в автоматическом режиме смонтирована площадка высотой 1,8 м. Находясь на этой площадке, оператор имеет возможность визуально наблюдать за работой технологического оборудования. На площадке установлены rat же четыре технологических электрошкафа, с помощью которых оператор-наладчик дополнительно контролирует работу секций в автоматическом режиме. Кроме того, при пуске линии автоматически включается световое табло, которое сигнализирует о рабочем состоянии линии. В этот период никому не разрешается находиться в рабочих зонах ПР.
На данном этапе внедрения коэффициент загрузки роботизированной линии при двухсменной работе составляет 0,45. Для повышения коэффициента загрузки намечается перевод на линию конструктивно-подобной детали (первичный вал), что позволит довести коэффициент использования оборудования до 0,85—0,9. Для этого потребуется незначительная переналадка станков и программ обучения ПР. Парк оборудования и технологический маршрут сохраняются.
Кроме того, в развитии поточной линии предусматривается роботизация последующих операций механической обработки валов (фрезерование шлицев, проточка масляной канавки, фрезерование шпоночного паза, окончательное шлифование шеек). В итоге, механическая обработка первичного и вторичного валов мотороллера будет полностью автоматизирована.
В результате автоматизации указанных выше операций условно высвобождено 10—12 рабочих, производительность обработки одного вала повысилась на 12 %.
Глава
ТЕХНИКО-ЭКОНОМИЧЕСКИЕ И СОЦИАЛЬНЫЕ АСПЕКТЫ ПРОМЫШЛЕННОЙ РОБОТОТЕХНИКИ
СОЦИАЛЬНЫЕ И ЭЮНОМИЧЕСКИЕ ОСОБЕННОСТИ ВНЕДРЕНИЯ ПР И РТК
Особенностями современного этапа развития в нашей стране являются повышение роли науки в производстве, резкое улучшение материального благосостояния и культурного уровня трудящихся, рост урбанизации. Наряду с неуклонным расширением масштабов производства, увеличением объемов выпуска продукции и необходимостью развития новых промышленных районов в большинстве областей и республик страны ощущается дефицит трудовых ресурсов.
Внедрение ПР и на их базе РТК может быть одним из наиболее обещающих путей ликвидации дефицита трудовых ресурсов, а также механизации и автоматизации работ, в которых еще очень значителен объем ручного труда. Кроме того, в большинстве случаев применение ПР сопровождается повышением производительности труда, сокращением сроков и объемов технической подготовки производства, повышением точности обработки и ритмичности производства, уменьшением размеров и ускорением оборачиваемости оборотных средств, уменьшением потерь от брака, экономией общественных фондов коллективного пользования, созданием резервов производственных мощностей.
Величина экономии трудовых ресурсов, времени и материальных затрат в каждом конкретном случае применения ПР зависит от различных факторов: типа и характера технологического процесса, технико-экономических показателей ПР, технологического и вспомогательного оборудования и его состояния, сложности конструкции обрабатываемых деталей, размеров партии запуска, характера операций, качества инструмента и приспособлений.
Эффективное высвобождение живого труда и качественное изменение его условий приводят к социально-экономическим изменениям во всей социальной инфраструктуре, включая жилье, подготовку кадров, миграцию населения, коммунально-бытовое обслуживание, просвещение, культуру, искусство, науку, здравоохранение, социальное обеспечение, государственную и кооперативную торговлю и общественное питание. Иначе говоря, при оценке экономической эффективности внедрения ПР необходимо учитывать вклад общественных фондов коллективного пользования в воспроиз-
водство трудовых ресурсов. Это позволяет оценить количественно в стоимостной форме экономический эффект от высвобождения работников и социальный аспект внедрения ПР. При этом не следует забывать, что высвободившиеся в результате внедрения ПР работники, будучи переведены на другие участки работы, после соответствующей, при необходимости, переподготовки обеспечивают выпуск дополнительной продукции, в результате чего предприятие получает дополнительную прибыль.
На отдельных предприятиях сложились определенные пропорции между численностью основных производственных рабочих и численностью наладчиков (операторов ПР), вспомогательных рабочих, инженерно-технических работников (ИТР), младшего обслуживающего персонала (МОП), счетно-конторского персонала (СКП) и т. п. Поэтому при высвобождении вследствие внедрения ПР определенного числа основных производственных рабочих должно быть высвобождено соответствующее (пропорции для каждого конкретного предприятия фиксируются в штатном расписании и техпромфинплане) число работников остальных категорий, или им по крайней мере должны быть вменены другие обязанности или поручена другая работа.
До недавних пор указанные социальные и экономические особенности не учитывались при оценке экономической эффективности от внедрения ПР (РТК). Иначе говоря, в качестве показателя стоимостной оценки размеров экономии затрат живого труда бралась только экономия по заработной плате, входящая составным элементом в себестоимость продукции. Таким образом, не учитывалось, что заработная плата при социализме является стоимостной формой лишь части необходимого продукта, получаемого работниками на предприятиях через механизм распределения по труду. Поэтому использование заработной платы в качестве единственного критерия стоимостной оценки затрат на воспроизводство рабочей силы искажает действительную структуру затрат общества на воспроизводство промышленной продукции, занижает экономическую эффективность техники, связанной с сокращением численности занятых рабочих (экономией живого труда), обусловливает для ее внедрения менее благоприятные условия, чем для техники, обеспечивающей экономию затрат овеществленного труда [81.
Таким образом, необходимость учета вклада общественных фондов коллективного пользования в воспроизводство трудовых ресурсов при определении экономической эффективности от внедрения ПР (РТК) очевидна. Учет всех затрат общества на воспроизводство трудовых ресурсов можно осуществить: 1) путем ликвидации обезличенной передачи в бюджет части необходимого продукта путем налога с оборота или передачи свободного остатка прибыли и ввода специальных целевых выплат в бюджет пропорционально количеству работающих и их качественному составу; такие выплаты вместе с платой за основные фонды фиксированными 374
9.1. Динамика изменения частей национального дохода, предназначенного на потребление
[ Составные части национального | дохода, идущего на потребление
Годы
1961 —
1965
1966 —
1970
1971-
1975
1976-
1980
Потребление за счет зарплаты Просвещение, здравоохранение, удовлетворение культурно-бытовых нужд и общественных потребностей, содержание нетрудоспособного населения, стоимость прироста жилищного фонда, сети школ, больниц, культурных и других учреждений
1,000
0,52 *
1,000 0,59*
1,000
0,69*
1,000
0,8 *
• С учетом вычета на социальное страхование 7,3 %.
платежами и процентами за банковский кредит необходимо будет вносить в бюджет до образования фондов экономического стимулирования [81; 2) через совершенствование оптовых цен, применив в качестве неизменных цен лимитную цену на новую продукцию, и введение системы компенсации первоначальных затрат производителя на освоение новой техники и временных потерь в прибыли и объемах реализации при переходе на новую технику; 3) введением возможно полного учета общественных затрат на производство продукции или корректированием себестоимости в целом путем прибавления к зарплате той части стоимости, которая идет на образование общественных фондов коллективного пользования, а также стоимости, созданной трудом для общества [411.
После анализа этих и других возможных форм учета затрат государства на воспроизводство трудовых ресурсов из общественных фондов коллективного пользования остановились на введении коэффициентов (норм) к зарплате. Этот коэффициент (норма) X начислений на зарплату, учитывающий |в клад общественных фондов коллективного пользования в воспроизводство трудовых ресурсов, в первом приближении может считаться постоянным для каждой пятилетки и определяется на основании данных, опубликованных в официальных статистических ежегодниках ЦСУ. Исследование данных, опубликованных в этих ежегодниках за 1965 1975 гг., показало, что распределение общественных фондов коллективного пользования характеризуется показателями, приведенными в табл. 9.1. По этим данным, а также контрольным цифрам десятой пятилетки были определены коэффициенты (нормы) х начислений на зарплату:
Годы 1961—1965 1966—1970 1971—1975 1976—1980
Коэффициент начислений на заработную плату % . . .1,521,591,691,8
В ряде организаций, например в НИИтруда и социальных вопросов, величина этого коэффициента была получена равной 1,4 [31]. Поэтому для дальнейших расчетов нами было принято это значение.
Кроме того, каждое предприятие самостоятельно покрывает следующие непосредственно связанные с условиями труда работающих, также обеспечивающие воспроизводство трудовых ресурсов, затраты:
АЗХ — вызванные потерями вследствие производственного травматизма;
А32 — вызванные потерями из-за текучести трудовых ресурсов;
А33 — вызванные потерями от временной нетрудоспособности по болезни;
А34 — вызванные потерями, связанными со стойкой нетрудоспособностью, приводящей к преждевременному выбытию работников из производства;
^35 — вызванные наличием прогулов и административных отпусков;
А36 — вызванные потерями от брака и недостаточной производительности труда вследствие наличия потерь и утомляемости работников;
А37 — связанные с потерями вследствие использования дополнительных трудовых ресурсов ввиду отсутствия необходимых средств механизации и автоматизации и применения ручного труда;
^38 — связанные с определенными условиями труда на каждом конкретном рабочем месте и необходимостью включения в заработную плату соответствующих доплат с учетом положенных льгот.
Как видим, каждый фактор, непосредственно связанный с условиями труда, рассматривается с позиций размера затрат, необходимых для его осуществления или его устранения [28]. Что же касается потерь (ущерба), то они рассматриваются как недополученные экономические выгоды. Предотвращение ущерба вследствие потерь рассматривается как экономический эффект.
Перечисленные выше затраты предприятий, непосредственно связанные ^условиями труда, необходимо включать в соответствующие статьи затрат при расчете экономической эффективности от внедрения промышленных роботов и РТК.
ОСОБЕННОСТИ ОПРЕДЕЛЕНИЯ ЭКОНОМИЧЕСКОЙ ЭФФЕКТИВНОСТИ ОТ ВНЕДРЕНИЯ ПР И СОЗДАННЫХ НА ИХ БАЗЕ/РТК
Условия расчета экономической эффективности. Стоимость ПР, и особенно РТК, в состав которых входят станки с ЧПУ, обрабатывающие центры и тому подобное оборудование, значи- 376
дельно превышают Стоимость прессов и универсальных станков, а их применение требует использования дорогостоящей аппаратуры для записи и контроля программ. Поэтому при оценке экономической эффективности особенно необходим тщательный анализ всех составляющих затрат, определяющих экономический эффект.
Определение экономической эффективности применения ПР, т. е. выявление их влияния на экономику определенного звена народного хозяйства, осуществляется комплексно при обеспечении системного подхода, предусматривающего анализ результатов всех мероприятий по внедрению ПР и их влияния на эксплуатацию ПР.
Обязательным условием расчетов и обоснований эффективности внедрения ПР является соблюдение народнохозяйственного подхода, т. е. выполнение условий, когда принятый вариант внедрения ПР должен быть не только наиболее эффективен для конкретного звена народного хозяйства, но и для всего производства и способствовать повышению эффективности всего народного хозяйства. В связи с этим эффективность внедрения ПР должна учитываться как в том звене народного хозяйства, где непосредственно осуществлено внедрение, так и в смежных звеньях, в которых намечается их осуществление, а также в отрасли.
При расчете и анализе эффективности капитальных затрат при внедрении ПР необходимо учитывать разрыв во времени (лаг) между осуществлением капитальных затрат и получением эффекта. При этом необходимо хорошо представлять экономическую модель динамики внедрения ПР, так как она имеет достаточно сложный характер (рис. 9.1). Существенная особенность этой модели заключается в том, что первоначальные капитальные затраты не только снижают в начальный момент внедрения прибыль предприятия (рис. 9.1, кривая /), но могут привести к отрицательному эффекту (рис. 9.1, кривая 4). Эта особенность тем более важна, что: отражение показателей эффективности новой техники, в частности ПР, в нормах, нормативах и плановых и отчетных показателях на год и на весь период эксплуатации ПР отстают от их внедрения на 2—3 года; в результате этого материальные балансы, баланс трудовых ресурсов, капитальных затрат, межотраслевой баланс подвергаются значительным внешним воздействиям, которые без соответствующей компенсации предприятие не в состоянии преодолеть; технико-экономическое обоснование на РТК прорабатывается недостаточно качественно, не всегда имеется должная увязка по месту, времени и концентрации сил; в результате ПР внедряют на участках, которые дают малый или даже отрицательный экономический эффект; особенно часто это происходит, если коэффициент загрузки оборудования ниже 0,5 как до, так и после внедрения ПР; не устранено неравноправие во взаимоотношениях между производителями и потребителями ПР вследствие недостатков в ценообразовании: высокие отпускные цены на
Рис. 9.1. Динамика Изменения затрат при внедрении ПР
ПР и остальное оборудование и низкая технологическая себестоимость выпускаемой на РТК продукции; промышленные роботы — оригинальная продукция, не имеющая аналогов. Поэтому РТК не имеют аналогов в заменяемом оборудовании, что не позволяет с достаточной степенью
точности прогнозировать ход внедрения ПР и требует компенсации временных потерь в прибыли и объемах реализации за счет целевых фондов отрасли, особенно предприятиям, первыми внедряющими робототехнику. Кроме того, подобная мера («призовая компенсация») целесообразна потому, что позволяет провести форсированное внедрение ПР в течение 1—1,5 лет и получить дополнительную прибыль в значительных размерах (см. рис. 9.1, область между кривыми 2 и 3 или 2 и 5 выше оси абсцисс). Иначе (см. рис. 9.1, кривая 5), внедрение ПР может быть растянуто в каждом конкретном случае на 10—15 лет; на предприятиях, внедряющих ПР, не всегда умело используется механизм ценообразования для повышения
оптовых цен на продукцию повышенного качества, что позволило бы со временем накопить достаточно средств для компенсации временных потерь прибыли и объема реализации при внедрении ПР; наиболее сложно внедрение ПР проходит на предприятиях с низкими показателями фондоотдачи.
Различают народнохозяйственный и хозрасчетный экономический эффект производства от внедрения ПР. В первом случае показателем эффективности выступает годовой экономический эффект, во втором случае — сводный хозрасчетный эффект, определяемый приростом прибыли (снижением себестоимости) за вычетом нормативной прибыли в течение всего срока работы внедренного ПР, но не более двух сроков аттестации качества [27]. Показатели экономической эффективности внедрения ПР определяют как сравнительные величины, и поэтому их называют показателями сравнительной экономической эффективности. Величина этих показателей зависит от того, с каким другим способом или техникой проводят сравнение.
Выбор базы сравнения (эталона) зависит от цели экономического анализа. При перспективном определении экономического эффекта внедрения ПР на предприятии за базу сравнения принимаются показатели лучшей внедренной или разработанной в проектах и апробированной отечественной и зарубежной техники при условии возможности ее использования в СССР.
При расчете сравнительной экономической эффективности обеспечивают сопоставимость показателей производства, что достигается использованием одинаковых объемов производства, сопоставимых цен на оборудование, материалы, энергию, топливо
и т. д.
Важнейшие условия сопоставимости: продукция, с производством которой связано внедрение ПР, должна быть как в базовом, так и в рассматриваемом вариантах полностью тождественной по назначению, составу, качеству и выпускаться в установленные сроки; количество продукции для выполняемых работ должно исчисляться в одних и тех же величинах; при расчете себестоимости продукции (или работы), капитальных, производственных и эксплуатационных затрат должна соблюдаться полная идентичность в методологии их определения; должен проводиться учет социальных факторов производства и использования продукции, включая влияние на окружающую среду; должен учитываться фактор времени; при внедрении мероприятий, обеспечивающих увеличение выпуска продукции, все основные показатели и исходные данные по базовому варианту должны пересчитываться на годовой объем выпуска продукции, достигаемый после внедрения ПР.
Если цель внедрения ПР — увеличение объема производства, то показатели исходного варианта не подвергаются коррекции;
должен учитываться уровень цен, причем сопоставимость уровня цен производится только в отношении базовой техники, снятой с производства до 1967 г., масштаб оптовых цен которой в среднем ниже существующих на 33 %.
В качестве базового варианта при расчете сравнительной экономической эффективности внедрения ПР в конкретном производстве следует принимать фактически действующие показатели на момент внедрения, а по внедряемому — только устойчивые технико-экономические показатели. Годовой объем производства (работы) на всех стадиях расчета годового экономического эффекта обычно принимают по году достижения проектной мощности
и запроектированных технико-экономических показателей — обычно это второй или третий год серийного производства.
Особенности расчета годового экономического эффекта. Оценка годового экономического эффекта во всех официальных методиках оценки сравнительной экономической эффективности капитальных
Рис. 9.2. Зависимости изменения себестоимости С (кривая /), годовых капитальных затрат ЕНК (кривая 2) и приведенных затрат 3 (кривая 3) от объема выпуска А
затрат, новой техники, изобретений и рационализаторских предложений [27 ] базируется на критерии минимума приведенных затрат, определяемых в детерминистской постановке формулой (рис. 9.2)
Ct + EHKt = 3, = 3t mln, (9.1) где CL — себестоимость т-го варианта; Ей — нормативный коэффициент эффективности капитальных затрат; Еи = 0,15; Kt, 3t — соответственно капитальные и приведенные затраты i-ro варианта.
Если сравниваем базовый (заменяемый) вариант и внедряемый (внедренный), представляющий собой РТК, например, то годовой экономический эффект в сравнительной оценке
Э = Зпр( -3; + А3с„ц, (9.2)
где 3Пр t и 3't — приведенные затраты соответственно до и после внедрения ПР в Ам году; ДЗС0Ц — затраты, непосредственно связанные с условиями труда на предприятии. При этом приведенные затраты базового варианта учитывают качественные различия по сравнению с внедряемым вариантом введением соответствующих коэффициентов качества. Тогда
*^пр / ^-1^-2^зЗ11 (9.3)
где аг — коэффициент качества, учитывающий различия в годовых объемах работ; а2 — коэффициент качества, учитывающий различия в производительности базового и внедряемого средств труда; а3 — коэффициент качества, учитывающий различия в сроках службы оборудования с учетом морального износа; 3t — приведенные затраты базового варианта в t-м году без учета коэффициентов качества.
Рассмотрим более детально определение затрат, непосредственно связанных с условиями труда на предприятии АЗС0Ц.
Затраты АЗЬ вызванные потерями из-за производственного травматизма до и после внедрения ПР, включают следующие составляющие: затраты АЗП на социальное обеспечение работников, пострадавших вследствие производственных травм; затраты А312, учитывающие выплаты по листам нетрудоспособности, возмещение ущерба от травм, пенсии, доплаты к ним и т. п.; затраты А313, вызванные необходимостью ликвидации ущерба вследствие потерь прибавочного продукта в связи с уходом пострадавших от травм с производства (с момента их выбытия до конца отчетного года), включая затраты на содержание дополнительной численности работников для покрытия потерь.
Затраты АЗи не следует рассматривать специально, так как они учитываются при определении зарплаты работников. Поэтому в дальнейшем будем учитывать только А312 и А313. Ввиду отсутствия нормативов по производственному травматизму по категориям работников расчет чаще всего ведется по фактическим 380
данным предприятия по листам нетрудоспособности. Для укрупненных расчетов можно воспользоваться выражением
к—п
A3j = Д^д fa + n) Г Чк (^ = 1, л).
6=1
где Дх — потери рабочего времени из расчета на одного работающего из пострадавших с утратой трудоспособности на один и более рабочих дней, временная нетрудоспособность которых закончилась в отчетном периоде; зуд — средняя заработная плата одного работника; q4 — коэффициент, учитывающий все элементы материальных затрат (выплаты по листам нетрудоспособности, возмещение ущерба, пенсии, доплаты к ним и т. д.) по отношению к зарплате. Для машиностроительных предприятий фт = 1,5 [31 ]; ц — коэффициент потерь (условных) прибавочного продукта в связи с выбытием пострадавших от травм из производства с момента их выбытия до конца отчетного года; примем г] = X = 1,4; Чк — численность работников ^-й категории, высвободившихся после внедрения ПР и переведенных на другие участки работы.
Затраты А32, вызванные потерями из-за текучести трудовых ресурсов, складываются из затрат А321, учитывающих ущерб, причиненный предприятию текучестью трудовых ресурсов; затрат А322, учитывающих ущерб, вызванный снижением производительности труда у работников, подавших заявление об уходе или вновь принятых на работу; затрат А323, связанных с обучением новых работников; затрат А324, связанных с организационной работой по приему и увольнению работников по собственному желанию; затрат А325, связанных с миграцией трудовых ресурсов; прочих затрат А328 предприятия, обусловленных нехваткой трудовых ресурсов по причине текучести: оплаты штрафов, неустоек и т. п.
Поэтому
А32 = Кгат Yi=i
где Кг — коэффициент текучести трудовых ресурсов (подсчитывается для конкретного предприятия как отношение числа уволившихся по собственному желанию в течение года к среднесписочному числу работников); а32 — коэффициент, учитывающий долю работников, уволившихся по причинам неудовлетворенности условиями труда, в общем числе увольнений по собственному желанию.
Среднегодовые затраты, учитывающие ущерб, причиненный предприятию текучестью трудовых ресурсов,
А321 = N VOTt4 срЧ YvaV4K,
где NnOT — количество часов, потерянных при поступлении и увольнении с работы, из расчета на одного работника. В среднем N < 100 д-120 ч/чел.; Чср— средняя часовая тарифная ставка 381
одного работника со всеми начислениями; Чув — численность уволившихся в цеху (на предприятии); аРТК — удельный вес численности работников РТК, %, от численности работающих в цеху (на предприятии).
Величина
к=п
А322 = у2 у Зк (^ = 1, п\к=\
где у2 — величина ущерба, вызванного снижением производительности труда у работников, подавших заявление об уходе или вновь принятых на работу, %; Зк — годовая заработная плата работников ^-й категории.
Исследования показали [30], что ущерб, вызванный снижением производительности труда у работников, подавших заявление об уходе или вновь принятых на работу, не превышает 3 % годового фонда зарплаты для рабочих заготовительных цехов машиностроительных предприятий и 1,5—2 % для работников механических цехов.
Затраты, связанные с обучением новых и переучиванием старых работников,
к=п
Д323 = З^Р3j £ ^ (^ = 1, /1).
где з23 — средние затраты, связанные с обучением одного нового работника (переподготовкой старого работника); как показывает анализ бухгалтерских отчетов ряда предприятий, для основных производственных рабочих, включая наладчиков и операторов РТК, з23 ^ 300^-400 руб/чел. год, для вспомогательных рабочих з23 «: 200 руб/чел. год; Р23 — поправочный районный коэффициент [3] затрат, представляющий отношение действительных затрат на подготовку трудовых ресурсов для данного экономического района к соответствующим затратам в базовом экономическом районе.
Затраты, связанные с организационной работой по приему и увольнению работников по собственному желанию, составляют 131 ] 15 % от среднегодовых затрат, учитывающих ущерб, причиненный предприятию текучестью трудовых ресурсов.
Поэтому для укрупненных расчетов
Д324 = 0,15А321.
Затраты А325, связанные с миграцией в отдельные районы страны трудовых ресурсов вследствие их дефицита, будем вести по мужской части населения [3]. Это обусловливается тем, что оба члена семьи могут работать на предприятии, где внедряются РТК- Кроме того, недостающее количество женщин-работниц может восполняться за счет семей, прибывших в эти же районы для работы на предприятиях других отраслей промышленности. Такой подход исключает дублирование затрат на миграцию, кото- 382
рые, как и на подготовку трудовых ресурсов, будем подсчитывать с учетом территориального размещения предприятий. Для этого введем поправочный коэффициент затрат на миграцию /?25, представляющий отношение действительных затрат на миграцию для данного экономического района к соответствующим затратам в базовом экономическом районе. Для удобства счета, чтобы р25 не имело отрицательных значений, при его определении за базовый район необходимо принять такой, для которого прогнозируется самый большой прирост населения на десятилетие. С учетом сказанного
^525 = 325Р2Ба25 2? ^k^k,k=i
где з25 — средние годовые затраты на миграцию одного работника в базовом экономическом районе; а26 — коэффициент миграции, показывающий долю работников-мужчин, прибывших в данный экономический район в предшествующем году, по сравнению со всей численностью работников-мужчин в этом экономическом районе. Для укрупненных расчетов а26 с 0,15ч-0,30 [31]; фА — удельный вес мужского персонала в общей численности работников ^-й категории на предприятии, где внедряются ПР. Для машиностроительных предприятий ф6 = 0,5 4-0,75.
Величина прочих затрат Д32в определяется по фактическим данным конкретного предприятия.
Затраты, вызванные потерями от временной нетрудоспособности (по болезни),
к=п т—^
= (Хд X'Н^щЧ/г,
к=1 /77 = 1
где а3 — потери рабочего времени одним заболевшим работником с временной утратой трудоспособности в течение соответствующего года, дни; /г3^г — среднедневные затраты (потери) в соответствующем году в расчете на одного работника, учитывающие недовыработку продукции (m = 1), размер пособий по больничным листам (т = 2), оплату по регрессионным искам предприятию (т = 3), на подготовку или переподготовку трудовых ресурсов (т = 4) и на содержание дополнительных работников (т = 5).
Величина среднегодовой недовыработки продукции
^1 = зудт],(9.4)
где зУд — средняя зарплата работника ^-й категории; т} — коэффициент потерь (условных) прибавочного продукта в связи с выбытием больных из производства и временной потерей ими трудоспособности; 1] = 1,4.
Среднедневной размер пособий по больничным листам определим, учитывая, что в среднем выплаты пособий [301 составляют 80 % от общего заработка работников. Тогда /г3^г = 0,8зуд. Ве-
личина среднедневной оплаты по регрессионным искам предприятию h3<i3 определяется по фактическим данным для каждого предприятия.
Среднедневные затраты на подготовку или переподготовку одного работника (кроме ИТР, МОП и СКП), учитывая сложившуюся систему на предприятиях,
?гзк4 = "ф^ (3°- »с°б + °'15 Л ) ’(9'5)
где Фдп — число рабочих дней в году, в среднем Фдн = 225 дней; зс. н — оплата наставнику в месяц, обычно зо. и ^ 7 руб./мес.; соб — СРОК обучения под руководством наставника, обычно соб с с 3 месяца; з0. „ — оплата одного часа занятий преподавателю; в среднем з0. п с 1 руб./ч; сл — срок обучения под руководством преподавателя, обычно сп с 60 ч; 15 — число человек в группе, обучающихся под руководством преподавателя.
Затраты, вызванные потерями, связанными со стойкой нетрудоспособностью, приводящей к постоянному преждевременному выбытию работников из производства,
т=4 '^т
А34 = X X' A34mTvm,m=l 1
где k34,n — среднегодовые затраты (потери) на одного работника в соответствующем году, учитывающие недовыработку продукции (m = 1), размер пенсий инвалидам труда (т = 2), расходы на подготовку или переподготовку работников взамен выбывшего (т = 3) и прочие затраты и доплаты в связи со стойкой нетрудоспособностью и выбытием работника из производства (т = 4); L^m — число лет, недоработанных до пенсионного возраста всеми работниками, выбывшими из производства в v-м году; Nm — наибольшее значение числа лет, недоработанных до пенсии любым из работников до и после внедрения ПР. Для упрощения можно принять
/ v=Nm \ /п=4аз4 = I X l^ I X аз4,л,\ v=l у т=1
где А34т подсчитывается по данным, относящимся к году, предшествующему расчетному.
Величина среднегодовой недовыработки продукции на одного неработающего
к=п
аз41=фди X ^3^-
где h3h определяется формулой (9.4).
Величина среднегодового размера пенсии инвалидам труда Д342 берется для одного неработающего по фактическим данным конкретного предприятия.
384
Величина среднегодовых расходов на подготовку или переподготовку одного работника, взамен выбывшего из производства,
к—п
к—Х
где h^ определяется по формуле (9.5) или по фактическим данным конкретного предприятия.
Затраты, вызванные наличием прогулов и другими нарушениями дисциплины, а также наличием административных отпусков,
А35 = 1МД6зуд(1+г1)1 Ук.
где ^5 — удельный вес ущерба (потерь) от нарушений дисциплины, кроме прогулов и административных отпусков, по отношению к ущербу (потерям) вследствие прогулов и административных отпусков; в первом приближении — соотношение часов, потерянных из расчета на 100 человек в соответствующем году; Дь — среднее число потерянных для производства, в связи с прогулами и административными отпусками, дней, приходящихся на 100 работающих в соответствующем году.
Для первого приближения, как показали результаты расчетов годового экономического эффекта от внедрения 25 РТК,
i—r
АЗС0Ц = £ ^Зi = асС (z = М,(9.6)
1=1
где С — себестоимость продукции (работы) в базовом варианте; ас < 0,17-^0,26; в среднем ас = 0,20.
ИССЛЕДОВАНИЕ ОБЛАСТИ ПРИМЕНЕНИЯ ПР
Анализ показывает, что метод определения годового экономического эффекта по приведенным затратам вооружает руководителей, инженеров и экономистов более совершенными средствами управления, позволяя им основывать свои решения и действия на данных расчетов с учетом особенностей капитальных затрат и социальных факторов. Поясним это простым примером. В качестве исходного для расчета экономической эффективности примем уравнение (9.2), откуда с учетом формулы (9.1) при аг = = а2 = а3 = 1
= (С - С') + Ен (К - К') + АЗСОЦ.
Из условия минимальной рентабельности Э = 0. Тогда с учетом формулы (9.6)
С = С + Ен ^K — асС,(9.7)
где АД = К' — К — дополнительные капитальные затраты.
13 Шифрин я. А. и др.385
9.2. Средние значения целевых и суммарных коэффициентов, учитывающих увеличение сдельных расценок за работу [30]
Наименование статей учета
Средние значения коэффициента по отношению к тарифной ставке
Увеличение сдельных расценок при работе по тех-
1,2
нически обоснованным нормам выработки
Приработок в связи с перевыполнением норм выра- ботки
1,2
Премии
1,3—1 5
Дополнительная зарплата
1 11
Доплаты
107
Выплаты из фонда материального поощрения
1,06
Отчисления на социальное страхование
1,073
Итого
2,5—2,9
Примечание. В таблице ие учтены: районный коэффициент Р^ зависящий от географического положения предприятия; коэффициент х начислений иа зарплату, учитывающий вклад общественных фондов коллективного пользования в воспроизводство трудовых ресурсов; выслуга лет; тринадцатая зарплата.
Выражение (9.7) можно переписать в виде
«2 (1 + Яс) АЧ1 = АКХ = п'ААчЧ + £и ЛК, (9.8) где пх и л£ — суммарные коэффициенты начисления на заработную плату до и после внедрения ПР (табл. 9.2); t, t' — затраты труда работников на изготовление одного изделия или единицы продукции до и после внедрения ПР соответственно. При этом t' — время «вмешательства» наладчика (оператор РТК); /ц — время одного рабочего цикла работы ПР при изготовлении одного изделия (единицы продукции); К' — стоимость основного оборудования РТК, приходящаяся на каждую единицу рабочего времени ПР.
Обычно Ч = Ч'. Очевидно,
К' - \а^А Мм + «T3R^ ^ + ^Сэлтц] , (9.9) где а — норма амортизационных отчислений; RM и Rs — единицы ремонтной сложности соответственно механической и электрической частей оборудования РТК; «тм, ата — часовые затраты на единицу ремонтной сложности во время текущего ремонта и межремонтного обслуживания механической и электротехнической частей оборудования соответственно; КМОщ, т}э — мощность и КПД электрооборудования РТК; Сэ — себестоимость одного кВт-ч электроэнергии.
При наиболее неблагоприятных условиях А = А1; п^ = п£ = = 1; ас = 0; Еи АК = ^К-
Примем в качестве независимых переменных в уравнении (9.8) f, 1Ц и ^K, а в качестве характеристик, т. е. величин, определяющих условия внедрения ПР, п^,, А, Ч, п^ , А'/К', ас.
При наличии только одного уравнения (9.8) найти взаимосвязь между тремя переменными ^, 1Ц и А К в виде алгоритма не пред, ставляется возможным. Поэтому ограничимся установлением частных зависимостей, позволяющих определить как область рационального применения ПР, так и ряд частных взаимосвязей характеристик РТК. Действительно, если две переменные изменяются в определенных пределах, можно установить лимитирующее с точки зрения экономической эффективности значение третьей переменной.
В качестве первого частного случая рассмотрим условия, ограничивающие время /ц цикла ПР. Для этого разрешим уравнение (9.8) относительно /ц:
^ = ^ ^г2ЧА Dl-W^-^-^' - £и А^} • (9-Ю)
Для А —Л ' и Ен АК = АК
f ГДА' 1
L =(1+«сП-t'•(9.11)
Для ^K = О (1+ас)^^р }. (9.12)
Ужесточим требования к РТК. Пусть полностью ПР заменит основных производственных рабочих и не требует введения наладчика (оператора РТК), т. е. t' = 0. Тогда
илиилиta < -4т Мх^ (1 + «вК1ta < -4т Мх^ (1 + «вК1(9.13)(9.13)4-^(1-^) 4-. , -1Л4-^(1-^) 4-. , -1Л(9.14)(9.14)
или
или
ta < -4т Мх^ (1 + «вК1
ta < -4т Мх^ (1 + «вК1
(9.13)
(9.13)
4-^(1-^) 4-. , -1Л
4-^(1-^) 4-. , -1Л
(9.14)
(9.14)
При наиболее неблагоприятных условиях ns = 1; ас = 0.
Допустим —- ^ 2. В этом случае -—- с 2. Для ряда РТК, внедренных в нашей стране, п2 = 4-5-5; ас = 0,2; Ч = 0,6-5-
ч-0,8 р/ч; /С' = 0,64-5-3,2 р/ч. Тогда (/ЦД) с 4,5 4-6 для цикловых ПР, когда К' = 0,64 р/ч и (7ЦД) с 0,9 4-1,2 для ПР с ПСПУ, когда К' = 3,2 р/ч. Так как для холодной листовой штамповки деталей массой до 0,2 кг / = 3 4-4 с, то применение ПР рентабельно, если
/ц с 13 4-15 с. Даже, если не учитывать влияние социальных факторов (ns = 2,5 4-2,8; ае = 0), для уже упоминавшейся холодной листовой штамповки -у^ 2,344-3,5, откуда /ц с 74-14 с.
13*13*387
13*
13*
Уравнение (9.13) выражает соотношение между циклом ПР и временем работы основного производственного рабочего на не- роботизированном участке. Отсюда следует, что время цикла не Ч
должно в п% (1 + ас) раз превышать время работы основ- К
ного производственного рабочего,
Рассмотрим ограничения для времени участия наладчика (оператора РТК) в роботизированном цикле, Из выражения (9.11)
V(9.15)
Если для этой зависимости допустим в качестве предельного случай, когда /ц = 0, т. е. ПР не применяют, то
^-^(l+ajt--^-,,(9.16)
или, решив это выражение относительно АК,, получим
Д^<Д^<п^АЧ f(l + ас)/--^Д'п^АЧ f(l + ас)/--^Д'(9-17)(9-17)
Д^<
Д^<
п^АЧ f(l + ас)/--^Д'
п^АЧ f(l + ас)/--^Д'
(9-17)
(9-17)
Данное выражение можно охарактеризовать как общее условие, лимитирующее рентабельность. Оно действительно для всех ПР и всех видов узлов специальной адаптации, применение которых ограничивается возможностью выполнения определенной операции. Оно подтверждает, что стоимость узлов специальной адаптации должна полностью восстанавливаться во время выполнения этой операции.
Если в уравнении (9.15) допустим, что ДК — 0, то
z< ^(i +ас)/.z< ^(i +ас)/.(9.18)(9.18)
z< ^(i +ас)/.
z< ^(i +ас)/.
(9.18)
(9.18)
или в наиболее неблагоприятном случае, когда ~т-(1 +ac) = L V < t, что вполне очевидно из чисто физических соображений.
Рассмотрим третий предельный случай, для чего решим неравенство (9.15) относительно Д/С:
АК с Л п27АК с Л п27(1+ac)Z--^_Z' - КЧЦ(1+ac)Z--^_Z' - КЧЦ(9.19)(9.19)
АК с Л п27
АК с Л п27
(1+ac)Z--^_Z' - КЧЦ
(1+ac)Z--^_Z' - КЧЦ
(9.19)
(9.19)
Допустив, что в неравенстве (9.19) (д = 0, снова придем к зависимости (9.17). При рассматриваемом допущении максимальная эффективность будет получена, если АК + An's 4t' = min. При условии, что АК = const, максимальная эффективность будет получена при минимальном значении t'.
Если в формуле (9.19) кроме /ц = О примем t' = 0, то АК ^ с n2 (1 + ac) A4L Это неравенство выражает условие для максимального значения Д/С.
Рис. 9,3. Определение области применения ПР
Сказанное позволяет для трех рассматриваемых переменных ^ц, t' и Д/( установить пре’ деды изменения:
0</ц<пг(1+ас)^Н (9.20) л
О <с V < —■- (1 4- ®с) ^;(9.21)
О < АК < п£ (Н «с) A4t. (9.22)
Максимальную экономическую эффективность получим, когда функция полезности F (/ц, /', А К) достигнет минимума. К сожалению, значение этой функции пока не можем определить аналитически, так как она не может быть выражена посредством алгоритма. Но, если переменные ^, f, АК определены и реальные пределы их изменения известны, максимальный годовой экономический эффект будет получен, когда сумма его значений от каждой переменной будет минимальной.
Сказанное проиллюстрируем рис. 9.3. По трем осям координат отложим независимые переменные t', tu и АК. Точки Л, В и С на осях соответствуют максимально допустимым величинам, соответствующим условию (9.8). Соединив эти точки прямыми, получим пирамиду с вершиной в точке О, которая включает пространство, определенное условием (9.8).
Уравнения прямых линий, которые ограничивают верхний предел, соответственно имеют вид:
(9.23)(9.23)в плоскости V — t^-. t' + ^пр /ц«« -^ (1 + ас) -^7^
(9.23)
(9.23)
в плоскости 1' — АК : п^АЧ!' + АК = ns (1 +®с) АЧ1;
в плоскости fu — АК : АК'1Ц + АК = пх (1 + ас) A4t.
Приведенные зависимости позволяют провести качественный анализ и установить возможные взаимосвязи переменных, характеризующих применение РТК или собственно ПР. Используя уравнения (9.23), можно построить необходимые графики или подготовить таблицы для ускорения процесса выбора наиболее целесообразных решений.
ОСОБЕННОСТИ ИСПОЛЬЗОВАНИЯ СРОКА ОКУПАЕМОСТИ В КАЧЕСТВЕ КРИТЕРИЯ ЭКОНОМИЧЕСКОЙ ЭФФЕКТИВНОСТИ Срок окупаемости дополнительных капитальных затрат
(9.24)(9.24)тК' — К
(9.24)
(9.24)
1С — С' ’
де К — капитальные затраты по базовому варианту, рассчитанные на годовой объем продукции, производимой с помощью внедренного ПР; К' — капитальные затраты по внедренному или внедряемому варианту; С — себестоимость годового объема продукции, выпускаемой в базовом варианте, пересчитанной на объем, производимый с помощью ПР; С* — себестоимость годового объема продукции, производимой с помощью ПР.
Очевидно, Д/( = К' — К — дополнительные капитальные затраты, обеспечивающие роботизацию.
Пусть для роботизированной позиции, обеспечивающей одну операцию, до внедрения ПР
С = п2ЧТН,(9.25)
а для позиции после внедрения ПР.
С\ = п^Ч'ТН’е',(9.26)
где Т и Т' — трудоемкость годового объема производства соответственно до и после внедрения ПР; п5ип$ — суммарные коэффициенты начислений на заработную плату;
р
«X = П«/.'(9.27)
/=1
где п, — целевой коэффициент начислений, учитывающий какой- то фактор (общественные фонды коллективного пользования, работу По технически обоснованным нормам, перевыполнение Технически обоснованных норм, премиальную надбавку, доплаты любого рода, дополнительную зарплату, отчисления на соцстрах, многостаночное обслуживание, выплату из фонда материального поощрения, географическое положение и т. д.); Ч и Ч' — часовая тарифная ставка соответственно до и после внедрения ПР; Н и И' — накладные расходы соответственно до^и после?внедрения ПР; е* — доля занятости наладчиков (операторов РТК).
Основное условие минимальной рентабельности (Э = 0) с учетом сказанного
п^ЧТН —-^п^ЧТН'е' + ДК|(Ен + а),(9.28)
где Д и Л' .— годовой объем производства соответственно до и после внедрения ПР; а — норма амортизационных отчислений; Ев — нормативный коэффициент эффективности капитальных затрат.
Уравнение (9.28) выведено при допущениях: предпроизвод- ственные затраты не учитывались; обеспечение теплом, электроэнергией, газом, паром, сжатым воздухом и т. д. учитывалось в накладных расходах; затраты предприятия, связанные непосредственно с условиями труда, отнесены к накладным расходам, 390
Кривая . . 1Г^ч 103 •Кривая . . 1Г^ч 103 •12345620 15 10 6 4 212345620 15 10 6 4 2Tq" п.Ч л'Tq" п.Ч л'(9.29)(9.29)&К&КИ' — (Ен 4- а)И' — (Ен 4- а)
Кривая . . 1Г^ч 103 •
Кривая . . 1Г^ч 103 •
123456
20 15 10 6 4 2
123456
20 15 10 6 4 2
Tq" п.Ч л'
Tq" п.Ч л'
(9.29)
(9.29)
&К
&К
И' — (Ен 4- а)
И' — (Ен 4- а)
Рис. 9.4. Изменение срока Окупаемости в зависимости от объема производства, дополнительных капитальных затрат и величины зарплаты
Заменяя в выражении (9.24) С и С' через зависимости (9.25) и (9.26), после преобразований получим
Для упрощений примем пУГ = Хпп-а Ч; Т — ЕТ; Н' — Н. Тогда
Тч =Тч =п^.Чнт-1кп^.Чнт-1к(9.30)(9.30)
Тч =
Тч =
п^.Ч
нт-1к
п^.Ч
нт-1к
(9.30)
(9.30)
(9.31)(9.31)Пусть для иллюстративных расчетов: Е^ = 0,15; а = 0,15; е' = 0,25; Хп = 1,5; Н = 3; Т = 2000 ч; 3 = 1. В этом случае вместо формулы (9.30) имеем
(9.31)
(9.31)
/ А'\
6 000-^- ( — 0,375^ - 0,3
На рис. 9.4 показана зависимость Tq от отношения -^—для различных значений -^-. Как видим, трудно получить Tq = = 2 года для ~у- > Ю 000. При этом допускалось, что число смен и коэффициенты загрузки оборудования до и после внедрения ПР одинаковы. Очевидно, если бы потребовалось, роботизированное предприятие могло работать эффективнее при более длительных периодах (Е > 1).
На следующем этапе нашего анализа рассмотрим вопрос о целесообразной степени универсализации ПР, воспользовавшись методом, описанным в работе [47 1. Для этого введем индекс универсализации
(9.32)(9.32)АКрси ^оси^Есп Н Ссп
(9.32)
(9.32)
где Л^ocн и Сосн — капитальные затраты и стоимость основных (стандартных) узлов РТК и собственно ПР соответственно; \Ксп и Ссп — то же, для специальной адаптации РТК и собственно ПР.
При этомПри этом
При этом
При этом
Г °!
(9.33)(9.33)^ОСН - -Г ,
(9.33)
(9.33)
_ Dlx”b
-'сп —
(p’\d
где D, b, d — постоянные, полученные обработкой экспериментальных данных.
Условие минимальной рентабельности (9.28) с учетом формулы (9.32) и выражения Д/< = ДЛосн + kK№ примет вид
+ е ^ТЧ'Х Н',+ е ^ТЧ'Х Н',где Р — число изменений узлов специальной адаптации или собственно ПР в год.Заменив СоСН из первого уравнения системы (9.33) иделив минимум функции /, после преобразований получим/•— Р^н+Ц М _у./mln Ь(Ен + а) °где Р — число изменений узлов специальной адаптации или собственно ПР в год.Заменив СоСН из первого уравнения системы (9.33) иделив минимум функции /, после преобразований получим/•— Р^н+Ц М _у./mln Ь(Ен + а) °(9.34)РТК(9.34)РТКопре-опре-(9.35)(9.35)
+ е ^ТЧ'Х Н',
+ е ^ТЧ'Х Н',
где Р — число изменений узлов специальной адаптации или собственно ПР в год.
Заменив СоСН из первого уравнения системы (9.33) иделив минимум функции /, после преобразований получим
/•— Р^н+Ц М _у.
/mln Ь(Ен + а) °
где Р — число изменений узлов специальной адаптации или собственно ПР в год.
Заменив СоСН из первого уравнения системы (9.33) иделив минимум функции /, после преобразований получим
/•— Р^н+Ц М _у.
/mln Ь(Ен + а) °
(9.34)
РТК
(9.34)
РТК
опре-
опре-
(9.35)
(9.35)
^оптимальной пропорции занятости наладчиков (операторов
(9.36)(9.36)ТогдаТогда(9.37)(9.37)А' И' п2Т deoPtim А н п^т, d+{-
(9.36)
(9.36)
Тогда
Тогда
(9.37)
(9.37)
Пусть Ен = 0,15; а = 0,15; 6 = 0,75; d = 0,6.
Сорит = 0,375-^-;
(9.38)(9.38)/1П1П = 1,222Р,
(9.38)
(9.38)
если —jy = А = А'; пу Т = п^Т'; Soptim = 0,25.
Таким образом, уровень занятости работников при оптимальной окупаемости при существующем уровне развития техники и технологии выше, чем можно было предполагать. Если уменьшим степень занятости работников, роботизация окупится, но ее экономический эффект будет ниже, так как возрастает /.
АНАЛИЗ ТЕХНИКО-ЭКОНОМИЧЕСКИХ ПОКАЗАТЕЛЕЙ ВНЕДРЕНИЯ РТК
Анализ результатов расчета годового экономического эффекта от внедрения 25 РТК на 14 предприятиях ряда отраслей показывает, что величина дополнительных капитальных затрат на внедрение РТК для механической обработки достигает 392
4,3 руб/дет. год, для холодной листовой штамповки — до 2,8 руб/дет. год, для нанесения покрытий — до 13,2 руб/дет. год, для погрузочно-разгрузочных работ — около 35 руб/дет. год. Эти результаты довольно далеки от лучших показателей, составляющих для механической обработки 0,04 руб/дет. год, для холодной листовой штамповки — 0,0133 руб/дет. год. Удельные эксплуатационные издержки на РТК достигают для механической обработки 1,4 руб/дет. год, для холодной листовой штамповки — 0,97 руб/дет. год, для нанесения покрытий — около 3,4 руб/дет. год, для погрузочно-разгрузочных работ — около 6,8 руб/дет, год, в то время как лучшие достигнутые показатели составляют 0,05 коп/дет. год.
Внедрение РТК приводит, как правило, к снижению затрат на заработную плату в 2 раза и более, возрастанию амортизации на 250—400 %, возрастанию затрат на капитальный ремонт почти в 1,5—2 раза. Затраты на электроэнергию остаются примерно на том же уровне, что и до внедрения РТК, или даже несколько уменьшаются.
Стоимость изготовления отечественных ПР первого поколения, как правило, возрастает. Стоимость ПР с цикловой системой программного управления грузоподъемностью до 5 кг составляет 18 тыс. руб. и выше, стоимость ПР с позиционной системой программного управления грузоподъемностью до 15 кг составляет 50 тыс. руб. и выше. Существующие тенденции некоторого, а иногда — значительного, возрастания стоимости ПР при переходе на серийное производство на базе межотраслевой и внутриотраслевой кооперации длительное время будут оставаться, несмотря на снижение трудоемкости изготовления вследствие совершенствования технологии и т. д. Определенное увеличение оптовых цен связано с переходом для ПР первого поколения от аналого-позиционных к цифровым системам программного управления. Кроме того, организация серийного производства удовлетворительно зарекомендовавших себя на практике ПР на вновь строящихся заводах и заводах, переведенных на выпуск ПР, приведет к временному, но определенному возрастанию оптовых цен на ПР. Таким образом, в течение 1981 —1985 гг. оптовые цены на ПР первого поколения вряд ли будут снижаться так, что это скажется на экономической эффективности РТК и ПР.
Значительную долю затрат при внедрении ПР составляет стоимость нестандартного оборудования, приспособлений и оснастки. В настоящее время эта стоимость составляет от 4 до 30 % из расчета на один ПР. За рубежом разброс этого показателя также достаточно большой — от 5 до 60 % и более [29]. Прогнозировать снижение этого вида затрат затруднительно, особенно, если иметь в виду возможное внедрение подвесных, подвижных и шагающих ПР, обслуживающих группу станков.
Стоимость транспортировки и монтажных работ при внедрении ПР незначительно расходится с существующими нормативами 393
и составляет в нашей стране и за рубежом от 7 до 10 % от стоимости ПР. Иногда эти затраты превышают указанный предел.
В связи с отсутствием достаточного опыта эксплуатации ПР в настоящее время трудно оценить стоимость запасных частей, необходимых для обеспечения технического обслуживания и ремонтов ПР. Зарубежные фирмы, например «Koufeldt», планируют 1 % от стоимости ПР на запасные части. Для ПР, описанных в данной книге, эта величина может быть нижним пределом.
Амортизационные отчисления на полное восстановление и капитальный ремонт ПР составляют от 6 до 25 %. Последняя цифра относится к ПР с малым сроком службы. За рубежом амортизационные отчисления составляют 12—16 % (например, для фирмы «Koufeldt» — 14 %). С увеличением срока службы ПР до десяти лет амортизационные отчисления не будут превышать 10—11 %, что будет вполне приемлемо на последующие 10—15 лет.
Затраты на техническое обслуживание в значительной степени определяются надежностью РТК и собственно ПР. Надежность механической системы отечественных ПР находится на уровне зарубежных образцов, чего нельзя сказать о надежности систем программного управления. По данным зарубежных фирм среднее время простоя ПР составляет от 2,5 % (при двухсменной работе равно 15 мин) и более рабочего времени 136]. По опыту эксплуатации ряда отечественных ПР этот показатель не снижается ниже 10—30 мин в смену. В целом затраты на техническое обслуживание для ПР первого поколения составляют от 1 % для ПР грузоподъемностью 50 кг и до 10 % для ПР грузоподъемностью до 5 кг.
Нормативный срок окупаемости в нашей стране для новой техники определяется нормативным коэффициентом эффективности капитальных затрат £н = 0,15 и составляет 6,7 года. Более умеренные прогнозы, основанные на долговременных наблюдениях, проведенных в нашей стране НИИтруда и социальных вопросов 131], показывают, что мероприятия, улучшающие условия труда, практически окупаются в течение 12—12,5 лет. В Иллинойском исследовательском институте (США) [29] получены следующие данные по этому вопросу: нижний предел окупаемости ПР должен составлять 10,66 % в год и ПР должны окупаться за 9,35 года. Наиболее вероятный предел окупаемости — 15,33 %, т. е. окупаемость составит около 6,4 года. Большинство специалистов в США считают вполне приемлемым срок окупаемости 5 лет. Опыт внедрения ПР в ряде отраслей в нашей стране показывает, что срок окупаемости для РТК, в состав которых входят ПР первого поколения грузоподъемностью до 5 кг, составляет 2,5— 4 года, для ПР первого поколения грузоподъемностью до 50 кг — 5—6 лет, а в некоторых случаях при оптовой цене свыше 50 тыс. руб. более 6 лет.
Расчеты, проведенные совместно с соответствующими службами предприятий ряда отраслей, показали, что при учете социальных факторов годовой экономический эффект из расчета 394
на один робот «Циклон-ЗБ»составляет 3— 8 тыс. руб., а «Универсал-15.01» — 3— 7 тыс. руб. Каждый ПР высвобождает одного-двух основных производственных рабочих в смену, производительность живого труда повышается на 25—400 %,
Цифровые данные о современном состоянии внедрения ПР приведены для предприятий, уже существующих, имеющих налаженное производство. Известно, что производственный процесс отличается большой инерционностью. При этом особенно сложно обстоит дело с изменением методов труда. Для вновь строящихся предприятий с РТК приведенные данные должны быть нижним пределом.
Внедрение РТК показывает, что недостаточный опыт и имеющиеся организационно-технические трудности не позволили полностью получить тот эффект, который заложен в роботизации производства. Однако даже те скромные результаты, которые были получены, свидетельствуют о целесообразности внедрения ПР в большинстве технологических процессов, связанных с выпуском продукции повышенного качества, небольшими партиями, при новой организации труда типа - бригадного подряда, в производственных ячейках, сочетающих обработку деталей на резко отличающемся друг от друга оборудовании с участками промежуточного контроля и сборки, где темп работы определяется не скоростью конвейера, а профессиональной подготовкой рабочих и материально-техническим обеспечением.
ПРИМЕР РАСЧЕТА ГОДОВОГО ЭКОНОМИЧЕСКОГО ЭФФЕКТА ОТ ВНЕДРЕНИЯ РТК
Рассмотрим в качестве примера расчет ожидаемого годового экономического эффекта от внедрения РТК на основе применения роботов «Универсал-15.01» и «Циклон-ЗБ» на линии механической обработки детали типа катка для тракторов. План размещения оборудования показан на рис. 9.5.
До внедрения РТК на линии осуществлялись последовательно 10 операций при обработке катка,
g 9.3. Исходные данные для расчета годового экономического эффекта от внедрения РТК на основе применения
и роботов «Универсал-15.01>р
=х я
£
з; я
S X
о.
о
О с
X я
а
£
Станкоем- кость
Оборудование
X ' ч
ч
* О О х X о
а О Я s
3
S
ч
СО
s'
о X
X
о ч
х
Я\0
X ^
8 5
2 =
И 5
До внедрения
После внедрения
Ремонтная сложность *, ед.
0 s у X х о 4
U х
В новом процессе
2 Ч о х о t- о с о
is
X о
о х
о и
ч
X
X со
ёг"
Ч о
X о 1- р с о
О х
и д
Е g о о i ф
1
Сверлильная
2Н150
2
0,018
0,0095
2
2 801
5 602
5 602 |—
1
—
8
7,5
16
15
2Н150
«Универсал-15.01»
2
1
2 801
43 916
2 801
43 916
8
7,5
16
10
16
15
16
10
2
Токарная
ПР-1-02
2
0,025
0,014
2
5 000
10 000
—
10 000
10
12
20
24
3
i
Токарная
ПР-1-21
3
0,030
0,0112
2
5 000
10 000
10 000
—
—
10
12
20
24
ПР-1-21
«Уннвер- сал-15.01»
2
1
5 000
43 916
10 000
43 916
10
12
16
10
20
24
16
10
4
Протяжная
76520А
3
0,0132
0,0044
1
И 840
1 840
И 840
—
—
—
10
20
10
20
76520
«Универ - сал-1 5.01»
1
1
5 920
47 000
—
—
5 920
47 000
10
20
16
10
10
20
16
10
5
Сверлильно- фрезерная
6Н520
3
0,016
0,0073
2
2 719
5 438
5 438
—
1 1
7,5
22
15
6Н520 «Универсал-1 5.01»
0,020
0,0082
2
2 717
47 000
—
5 438
47 "000
1 1
7,5
16
10
22
15
16
10
6
Сверлильная
2 Hl 18
2
0,009
0,00027
2
505
1 010
—
1 010
—
—
8
7,5
16
15
7
Слесарная
2
0,0083
—
—
—
—
—
—
—
—
—
—
8
Сварочная
ЦП 53 5
3
0,013
0,013
1
1 883
1 883
—
1 883
—
—
5
10
5
0
9
Калибровочная
П6330
2
0,0067
0,0067
1
7 832
7 832
7 832
—
—
1 2
12
12
12
П6330
«Цнклон-ЗБ»
7 832
18 800
7 832
18 800
12
12
11,5
4
12
12
11,5
4
10
Смазочная
—
1
0,0050
—
—
—
—
—
—
—
—
—
—
Итого
До внедрения РТК
—
—
13
53 605
32 880
12 893
—
—
121
"125
После внедрения РТК
8 +
—
—
5 920
80
86
34 792
200 632
75,57
44
-]~5 ПР
ОООО? 5? 5о ’^ хS Ло ’^ хS ЛТрудоемкостьТрудоемкостьЭнергоемкость,кВтЭнергоемкость,кВтччИнструментИнструменто^ S оо^ S о= 5 s= 5 sРуб.Руб.1Сверлильная2Н150227,51523 7000,61648,98002Н150 «Универ - сал-15.01»3,817,511,1515 11,1513 70048,91000-2ТокарнаяПР-1-022з132625 1200,61624,93ТокарнаяПР-1-2133173426 1500,68224,9ПР1-21 «Универ - сал-15.01»4,811711,153411,1516 150—24,98004Протяжная76520А37242412 57 50,68239,276520 «Универ- сал-15.01»8,812411,152411,150,52 575—239,212006Н52027,5151 13 1200,68249,6—1Сверлильная2Н150227,51523 7000,61648,98002Н150 «Универ - сал-15.01»3,817,511,1515 11,1513 70048,91000-2ТокарнаяПР-1-022з132625 1200,61624,93ТокарнаяПР-1-2133173426 1500,68224,9ПР1-21 «Универ - сал-15.01»4,811711,153411,1516 150—24,98004Протяжная76520А37242412 57 50,68239,276520 «Универ- сал-15.01»8,812411,152411,150,52 575—239,212006Н52027,5151 13 1200,68249,6—ССo3g « £ §o3g « £ §
ОО
ОО
? 5
? 5
о ’^ х
S Л
о ’^ х
S Л
Трудоемкость
Трудоемкость
Энергоемкость,кВт
Энергоемкость,кВт
ч
ч
Инструмент
Инструмент
о^ S о
о^ S о
= 5 s
= 5 s
Руб.
Руб.
1
Сверлильная
2Н150
2
2
7,5
15
2
3 700
0,616
4
8,9
800
2Н150 «Универ - сал-15.01»
3,81
7,5
11,15
15 11,15
1
3 700
4
8,9
1000
-2
Токарная
ПР-1-02
2
з
13
26
2
5 120
0,616
2
4,9
3
Токарная
ПР-1-21
3
3
17
34
2
6 150
0,682
2
4,9
ПР1-21 «Универ - сал-15.01»
4,81
17
11,15
34
11,15
1
6 150
—
2
4,9
800
4
Протяжная
76520А
3
7
24
24
1
2 57 5
0,682
39,2
76520 «Универ- сал-15.01»
8,81
24
11,15
24
11,15
0,5
2 575
—
2
39,2
1200
6Н520
2
7,5
15
1 1
3 120
0,682
4
9,6
—
1
Сверлильная
2Н150
2
2
7,5
15
2
3 700
0,616
4
8,9
800
2Н150 «Универ - сал-15.01»
3,81
7,5
11,15
15 11,15
1
3 700
4
8,9
1000
-2
Токарная
ПР-1-02
2
з
13
26
2
5 120
0,616
2
4,9
3
Токарная
ПР-1-21
3
3
17
34
2
6 150
0,682
2
4,9
ПР1-21 «Универ - сал-15.01»
4,81
17
11,15
34
11,15
1
6 150
—
2
4,9
800
4
Протяжная
76520А
3
7
24
24
1
2 57 5
0,682
39,2
76520 «Универ- сал-15.01»
8,81
24
11,15
24
11,15
0,5
2 575
—
2
39,2
1200
6Н520
2
7,5
15
1 1
3 120
0,682
4
9,6
—
С
С
o3g « £ §
o3g « £ §
Продолжение табл. 9.3
Примечания! 1. Затраты на инструмент до внедрения ' РТК! И = 0,01 (37 0 0- 8,9 4- 5120-4,9 4- 6150- 4,9 4- 4- 3120-9,6 4- ИОО-8,9 4- 1700-3,5 + 2670-15 4- 1370-19,4 4- 1025-3,5) = 3050,01 р.2. Затраты на инструмент после внедрения РТК: И = 0,01(3700-8,9 4* 61о0-4,9 4" 2d7d-39,2 4* 4100-9,6 += 2069,53 р.Примечания! 1. Затраты на инструмент до внедрения ' РТК! И = 0,01 (37 0 0- 8,9 4- 5120-4,9 4- 6150- 4,9 4- 4- 3120-9,6 4- ИОО-8,9 4- 1700-3,5 + 2670-15 4- 1370-19,4 4- 1025-3,5) = 3050,01 р.2. Затраты на инструмент после внедрения РТК: И = 0,01(3700-8,9 4* 61о0-4,9 4" 2d7d-39,2 4* 4100-9,6 += 2069,53 р.— для элек-— для элек-
Примечания! 1. Затраты на инструмент до внедрения ' РТК! И = 0,01 (37 0 0- 8,9 4- 5120-4,9 4- 6150- 4,9 4- 4- 3120-9,6 4- ИОО-8,9 4- 1700-3,5 + 2670-15 4- 1370-19,4 4- 1025-3,5) = 3050,01 р.
2. Затраты на инструмент после внедрения РТК: И = 0,01(3700-8,9 4* 61о0-4,9 4" 2d7d-39,2 4* 4100-9,6 +
= 2069,53 р.
Примечания! 1. Затраты на инструмент до внедрения ' РТК! И = 0,01 (37 0 0- 8,9 4- 5120-4,9 4- 6150- 4,9 4- 4- 3120-9,6 4- ИОО-8,9 4- 1700-3,5 + 2670-15 4- 1370-19,4 4- 1025-3,5) = 3050,01 р.
2. Затраты на инструмент после внедрения РТК: И = 0,01(3700-8,9 4* 61о0-4,9 4" 2d7d-39,2 4* 4100-9,6 +
= 2069,53 р.
— для элек-
— для элек-
5
Сверл ильно- фрезерная
3
6Н520 «Универсал-15.01»
3,81
7,5
11,15
15
11,15
0,5
4 100
—
4
9,6
1500
6
Сверлильная
2Н118
2
2
3,5
7
2
1 100
0,616
4
8,9
120
7
Слесаоная
—
2
—
—
_
1
1 700
0,616
200
3,5
—
8
Сварочная
ЦП535
3
5
14
14
1
2 670
0,648
15
■ 15
—
9
Калибровочная
П6330
2
2
22
22
1
1,370
0,586
7
19,4
150
П6330 «Циклон-ЗБ»
5
22
0,6
22 0,6
1
1 370
„
7
19,4
1500
10
Смазочная
—
1
—
—
—
1
1 025
0,479
—
—
Итого
До внедрения РТК
—
26
157
15
28 530
1070
6000
После внедрения РТК
26,24
1 10
45,2
4
17 895
2575-39,2 +
1370- 19,4) =
• В числителе приведено число единиц ремонтной сложности для механической части оборудования, в знаменателе тротехнической.
400400Коэффициенты (норматив) начислений на заработную плату (по категориям)Категории работниковОсновные производственные рабочиеОператоры РТКВспомогательные рабочиеИТРУчитывающие:увеличение сдельных расценок при работе по технически1,21,2обоснованным нормамприработок в связи с перевыполнением норм выработки1,08———премии1,51,351,251,25доплаты1,061,061,061,06отчисления на социальное страхование1,0731,0731,0731,073Коэффициенты (норматив) начислений на заработную плату (по категориям)Категории работниковОсновные производственные рабочиеОператоры РТКВспомогательные рабочиеИТРУчитывающие:увеличение сдельных расценок при работе по технически1,21,2обоснованным нормамприработок в связи с перевыполнением норм выработки1,08———премии1,51,351,251,25доплаты1,061,061,061,06отчисления на социальное страхование1,0731,0731,0731,0739.4. Коэффициенты начислений на заработную плату для различных категорий работников9.4. Коэффициенты начислений на заработную плату для различных категорий работников9.5. Расчет годового экономического эффекта от внедрения РТК иа основе применения ПР «Универсал-15.01» и «Циклон-ЗБ» на линии механической обработки детали типа катка для трактора
400
400
Коэффициенты (норматив) начислений на заработную плату (по категориям)
Категории работников
Основные производственные рабочие
Операторы РТК
Вспомогательные рабочие
ИТР
Учитывающие:
увеличение сдельных расценок при работе по технически
1,2
1,2
обоснованным нормам
приработок в связи с перевыполнением норм выработки
1,08
—
—
—
премии
1,5
1,35
1,25
1,25
доплаты
1,06
1,06
1,06
1,06
отчисления на социальное страхование
1,073
1,073
1,073
1,073
Коэффициенты (норматив) начислений на заработную плату (по категориям)
Категории работников
Основные производственные рабочие
Операторы РТК
Вспомогательные рабочие
ИТР
Учитывающие:
увеличение сдельных расценок при работе по технически
1,2
1,2
обоснованным нормам
приработок в связи с перевыполнением норм выработки
1,08
—
—
—
премии
1,5
1,35
1,25
1,25
доплаты
1,06
1,06
1,06
1,06
отчисления на социальное страхование
1,073
1,073
1,073
1,073
9.4. Коэффициенты начислений на заработную плату для различных категорий работников
9.4. Коэффициенты начислений на заработную плату для различных категорий работников
Элементы расчета
формулы н другие данные
На программу
Базовый вариант
Внедряемый вариант
Годовой объем, шт.
Загрузка на годовой объем, ч
Коэффициент загрузки оборудования
Число смен оборудования
Годовой фонд работы оборудования, ч
Принятое (фактическое) число единиц основного оборудования, шт.
Принятое (фактическое) количество ПР, шт.
Плановый коэффициент переработки норм Число единиц оборудования, обслуживаемое одним оператором РТК, шт.
Действительный (расчетный) фонд рабочего времени рабочего, ч
Численность основных производственных рабочих, чел
Численность операторов РТК, чел.
Численность вспомогательных рабочих, чел.
где гв. р = 71 % — процент вспомогательных раб
Численность ИТР, чел.
где гитр = 15 % — процент ИТР на предприятии
См. табл. 9.4 То же
См. табл. 9.5
См. табл. 9.4
То же
Строка 2
205
28 530
0,515
2
40
13
1,|
18
28 530_
500
17 895 0,524
8
5
)62
6
60
17 895_ g *
Строка 10 X строка 8
Строка 6 + строка 7
Строка 9 X строка 8
100 X строка 11 очих на предприятии (от
кто х строка 11
(от численности основных
1860Х 1,062
численности основных про
15
-1^Х15«3
производственных рабочие
1860X1,062
8 + 5
6X1,062
71 А 7
ктох9”7 изводственных рабочих)
*5 х 9 ~ 2
100
Элементы расчета
Формулы н другие данные
На программу
Базовый вариант
Внедряемый вариант
Стоимость, руб.:
основного оборудования
ПР
приспособлений и нестандартного оборудования площади производственной
См. табл. 9.4 То же
»
53 605
1070 26X200 = 5200
40 712
43 916 X 2+ 47 000 X
X 2 + 18 800 X 1 =
= 200 632
6000
26,24 X 200 = 5248
Smoi^ЗЗНИмаеМая оборудованием до и после внедрения РТК; 200 р. - стоимость 1 м2 пронзводствен-
площади служебно-бытовой(См. табл. 9.4|
где 7 м2,чел. — норма служебно-бытовой площади из расчета на одного и вспомогательных рабочих до внедрения РТК; 4 н 7 чел. — численность внедрения РТК; 220 р. — стоимость 1 м2 служебно-бытовой площади Предпроизводственные затраты, включая за- Данные бухгалтерии траты на научно-исследовательские и опытно- конструкторские работы
где 14 459 р. — предпроизводственные затраты нз расчета на один робот на один робот «Циклон-ЗБ»
Дополнительная прибыль от использования высвобожденных работников на других участках работы РТК:
в первый годСм. табл. 9.5
7 (15+ 11)Х220 = I 7 (4+ 7) X 220 = 16 940 = 40 040|
рабочего; 15 и 11 чел. —численность основных операторов и вспомогательных [рабочих после
—14 459 X 4 + 3 863 X
X 1 = 61 699
«Универсал-15.01»; 3863 р. —то же, нз расчета
——0,5 [(115,98 X 12 X
X 2,21 X 15 — 115,98 X
X 4 X 12 X 1,84) + + 103,17 X 12 X 1,42 (11 — 7) + 150 X 12 X
X 1,42 (3 — 2)J =
W "
во второй год Итого
То же
= —0,5 X 65 981,70 =
= —32 990,85
—65 981,70
— (32 990,85 + + 65 981,7) = = —98 972,55
где 115.98 р. месячный заработок основного производственного рабочего и оператора РТК без начислений на зарплату; 103,17 р’. — то же, для вспомогательного рабочего; 150 р. — то же, для' ИТР; 12 — число месяцев в году; 2,21; 1,84; 1,42 — суммарные коэффициенты начислении на зарплату без учета доли общественных фондов коллективного пользования соответствующих категорий-работников (см. табл. 9.3); 0,5—коэффициент, учитывающий, что в течение первого года работы на новом месте работники вырабатывают только половину положенного задания
Затраты на технические мероприятия и установки по улучшению условии труда)Затраты на технические мероприятия и установки по улучшению условии труда)См. табл. 9.5См. табл. 9.537,2(15+11)+ I 37,2 (4 + 7)+ 3 X 2 = + 3 X 3= 976,20 I =415,2037,2(15+11)+ I 37,2 (4 + 7)+ 3 X 2 = + 3 X 3= 976,20 I =415,20
Затраты на технические мероприятия и установки по улучшению условии труда)
Затраты на технические мероприятия и установки по улучшению условии труда)
См. табл. 9.5
См. табл. 9.5
37,2(15+11)+ I 37,2 (4 + 7)+ 3 X 2 = + 3 X 3= 976,20 I =415,20
37,2(15+11)+ I 37,2 (4 + 7)+ 3 X 2 = + 3 X 3= 976,20 I =415,20
где 37,2 р. — затраты в год на одного рабочего; 3 р. — затраты в год на одного ИТР
ИтогоИтого53 605 + 1 070 + + 5 200 + 40 040 + + 976,2 = 100 891,253 605 + 1 070 + + 5 200 + 40 040 + + 976,2 = 100 891,240 712+ 200 632 ++ 6 000 + 5 248 ++ 16 940 + 61 699 —— 98 972,55 + 415,2 == 232 673,6540 712+ 200 632 ++ 6 000 + 5 248 ++ 16 940 + 61 699 —— 98 972,55 + 415,2 == 232 673,65
Итого
Итого
53 605 + 1 070 + + 5 200 + 40 040 + + 976,2 = 100 891,2
53 605 + 1 070 + + 5 200 + 40 040 + + 976,2 = 100 891,2
40 712+ 200 632 +
+ 6 000 + 5 248 ++ 16 940 + 61 699 —— 98 972,55 + 415,2 =
= 232 673,65
40 712+ 200 632 +
+ 6 000 + 5 248 ++ 16 940 + 61 699 —— 98 972,55 + 415,2 =
= 232 673,65
См. табл, 9.4См. табл, 9.41,4 X 18 301,19 XX 2,21 = 56 623,921,4 X 18 301,19 XX 2,21 = 56 623,92Зарплата, руб.:
См. табл, 9.4
См. табл, 9.4
1,4 X 18 301,19 XX 2,21 = 56 623,92
1,4 X 18 301,19 XX 2,21 = 56 623,92
основных производственных рабочих
где 1,4 — коэффициент начислении на зарплату, учитывающий вклад общественных фондов коллективного пользования в воспроизводство трудовых ресурсов; стоимость обработки без учета начислении (см. табл. 9.3) определена по формуле
У, T.t . = 3700-0,616+ 5120-0,616+ 6150-0,682 + 2575-0,682+ 3120-0,682+ 1100-0,616 + 1700-0,616 + 2670-0,648 + I ШТ-К L’
1=1
+ 1370-0,586+ 1025-0,479 — 18 301,79 р. (п — число операции, 7. — трудоемкость и <ШТ.К(. — штучно-калькуляционное время i-н операции); 2,21 — суммарный коэффициент начислений на зарплату без учета вклада общественных фондов коллективного пользования
Элементы расчета
формулы и другие данные
На программу
Базовый вариант
Внедряемый вариант
операторов РТК вспомогательных рабочих
ИТР
Итого
См. табл. 9.5
То же
»
103,17 X 12 X 11 X X 1,42 = 19 338,18
150 X 12 X 3 X 1,42 = = 7677,32 56 623,92 4- 19 338,18 +
4- 7 677,32 = = 83 639,42
1,4 X 115,98 X 12 X 4 X X 1,84 = 14 348,47
103,17 X 12 X 7 X X 1,42 = 12 306,11
150 X 12 X 2 X 1,42 = = 5 118,21 14 348,47 4-
4- 12 306,11 +
4- 5 118,21 = = 31 772,79
Затраты на электроэнергию, руб.
См. табл. 9.4
0,95 f157 Х 4015 Х
X 0,515Х 1,03) X
X 0,0077 X 0,85 X
X 1 X 1,05 = 2 416,80
^5- (110 + 45,2) х X 4 015 X 0,524 X X 1,03 X 0,0077 X
X 0,6 X 0,6 X 1,05 = = 1 030,40
где 0,95 КПД электрооборудования; 157 и 110 + 45,2 кВт — мощность, потребляемая электрооборудованием до н после внедрения РТК; 1,03 коэффициент перехода к полезному времени; 0,0077 руб/кВт-ч — тарифная ставка электроэнергии- 0,85 и 0,6 — коэффициент загрузки электрооборудования по мощности до и после внедрения РТК; 1 и 0,6 — коэффициент загрузки электрооборудования по времени до и после внедрения РТК; 1,05 — коэффициент, учитывающий потери в сети
Стоимость инструмента, руб.Амортизация, руб.:основного оборудованияСтоимость инструмента, руб.Амортизация, руб.:основного оборудованияСм. табл. 4.7, 9.4См. табл. 9.5См. табл. 4.7, 9.4См. табл. 9.53050,014^X 53 605 == 6 218,183050,014^X 53 605 == 6 218,182069,53Лоб- Х 40712 == 4 722,592069,53Лоб- Х 40712 == 4 722,59
Стоимость инструмента, руб.
Амортизация, руб.:
основного оборудования
Стоимость инструмента, руб.
Амортизация, руб.:
основного оборудования
См. табл. 4.7, 9.4
См. табл. 9.5
См. табл. 4.7, 9.4
См. табл. 9.5
3050,01
4^X 53 605 == 6 218,18
3050,01
4^X 53 605 == 6 218,18
2069,53
Лоб- Х 40712 == 4 722,59
2069,53
Лоб- Х 40712 == 4 722,59
где 11,6 % — норма амортизации иа реновацию
ПРгде 5,3 % — — норма амортизации для реновацииплощади производственной и служебно-бытовойПРгде 5,3 % — — норма амортизации для реновацииплощади производственной и служебно-бытовойСм. табл. 9.5См. табл. 9.5См. табл. 9.5См. табл. 9.55 3"Ж х 200 632 == 10 633,495 3"Ж х 200 632 == 10 633,49-^ X (5200 4 ■ 40 040) = -^ X + 248 -16 940) == 1 990,56= 976,27-^ X (5200 4 ■ 40 040) = -^ X + 248 -16 940) == 1 990,56= 976,27
ПР
где 5,3 % — — норма амортизации для реновации
площади производственной и служебно-бытовой
ПР
где 5,3 % — — норма амортизации для реновации
площади производственной и служебно-бытовой
См. табл. 9.5
См. табл. 9.5
См. табл. 9.5
См. табл. 9.5
5 3
"Ж х 200 632 == 10 633,49
5 3
"Ж х 200 632 == 10 633,49
-^ X (5200 4 ■ 40 040) = -^ X + 248 -16 940) == 1 990,56= 976,27
-^ X (5200 4 ■ 40 040) = -^ X + 248 -16 940) == 1 990,56= 976,27
где 4,4 % — норма амортизации (включая содержание) приспособлений и нестандартного оборудова- I См. табл. 9.5 нняIгде 4,4 % — норма амортизации (включая содержание) приспособлений и нестандартного оборудова- I См. табл. 9.5 нняI0,6Х 1 070 = 6420,6Х 1 070 = 6420,6 X 6 000 = 3 6000,6 X 6 000 = 3 600
где 4,4 % — норма амортизации (включая содержание) приспособлений и нестандартного оборудова- I См. табл. 9.5 нняI
где 4,4 % — норма амортизации (включая содержание) приспособлений и нестандартного оборудова- I См. табл. 9.5 нняI
0,6Х 1 070 = 642
0,6Х 1 070 = 642
0,6 X 6 000 = 3 600
0,6 X 6 000 = 3 600
Итого—Текущий ремонт и межремонтное обслуживание, Руб:основного оборудованияСм. табл. 9.4Итого—Текущий ремонт и межремонтное обслуживание, Руб:основного оборудованияСм. табл. 9.4где 0,6 — норма амортизации с учетом двухгодичного срока службы игде 0,6 — норма амортизации с учетом двухгодичного срока службы иежегодного ремонта6 218,18 4- 1 990,56 + + 642 = 8 850,74ежегодного ремонта6 218,18 4- 1 990,56 + + 642 = 8 850,744 722,59 4- Ю 633,49 +4- 976,27 = 16 332,354 722,59 4- Ю 633,49 +4- 976,27 = 16 332,350,01 (0,73 X 121 4-4- 0,4 X 125) 4 015 XX 0,515 X 1,03 == 2 946,090,01 (0,73 X 121 4-4- 0,4 X 125) 4 015 XX 0,515 X 1,03 == 2 946,090,01 (0,73 X 80 4- 0,4 X X 86) 4 015 X 0,524 XX 1,03= 2 010,950,01 (0,73 X 80 4- 0,4 X X 86) 4 015 X 0,524 XX 1,03= 2 010,95
Итого
—
Текущий ремонт и межремонтное обслуживание, Руб:
основного оборудования
См. табл. 9.4
Итого
—
Текущий ремонт и межремонтное обслуживание, Руб:
основного оборудования
См. табл. 9.4
где 0,6 — норма амортизации с учетом двухгодичного срока службы и
где 0,6 — норма амортизации с учетом двухгодичного срока службы и
ежегодного ремонта
6 218,18 4- 1 990,56 + + 642 = 8 850,74
ежегодного ремонта
6 218,18 4- 1 990,56 + + 642 = 8 850,74
4 722,59 4- Ю 633,49 +4- 976,27 = 16 332,35
4 722,59 4- Ю 633,49 +4- 976,27 = 16 332,35
0,01 (0,73 X 121 4-4- 0,4 X 125) 4 015 X
X 0,515 X 1,03 == 2 946,09
0,01 (0,73 X 121 4-4- 0,4 X 125) 4 015 X
X 0,515 X 1,03 == 2 946,09
0,01 (0,73 X 80 4- 0,4 X X 86) 4 015 X 0,524 X
X 1,03= 2 010,95
0,01 (0,73 X 80 4- 0,4 X X 86) 4 015 X 0,524 X
X 1,03= 2 010,95
где 0,73 коп/ч ЕР и 0,4 коп/ч ЕР — часовые затраты на текущий ремонт и межремонтное обслуживание на единицу ремонтной сложности (ЕР) механической и электротехнической частей оборудования; 121 и 80 — количество ЕР механической части оборудования до и после внедрения РТК; 125 и 86 — то же, для электротехнической части оборудования; 4 015 ч — годовой фонд работы оборудования; 0,515 и 0,524 — коэффициенты загрузки оборудования до и после внедрения ПР; 1,03 — коэффициент
См. табл. 9.4См. табл. 9.40,01 (0,73 X 75,57 +4- 0,4 X 44) 4 015 XX 0,524 X 1,03 == 1 575,610,01 (0,73 X 75,57 +4- 0,4 X 44) 4 015 XX 0,524 X 1,03 == 1 575,61перехода к полезному времени ПР
См. табл. 9.4
См. табл. 9.4
0,01 (0,73 X 75,57 +4- 0,4 X 44) 4 015 XX 0,524 X 1,03 == 1 575,61
0,01 (0,73 X 75,57 +4- 0,4 X 44) 4 015 XX 0,524 X 1,03 == 1 575,61
где 75,57 ЕР и 44 ЕР — количество единиц ремонтной сложности механической и электротехнической частей ПР.
Итого
6
СП—.., --I.—
—
2 946,09
2 010,95+ 1 575,61 = = 5 386,56
Элементы расчета
Формулы и другие данные
На программу
Базовый вариант
Внедряемый вариант
Капитальный ремонт, руб.: основного оборудования
См. табл. 9.4
27,6 X 121 + 5,5 X X 125= 4 027,10
27,6 X 80+ 5,5 X 86 = = 2 681,00
где 27,6 руб/год ЕР и 5,5 руб/год ЕР — среднегодовые затраты на одну £ЕР механической и электротехнической частей оборудования.
ПР
Итого
Технологическая подготовка, руб.:
основного оборудования
ПР
настройка инструмента вне цеха (линии)
Итого
Себестоимость обработки, руб.
Прибыль за счет выпуска продукции на РТК при серийном производстве:
в первый год
во второй год
Итого
См. табл. 9.4
Данные учета То же
Строка 16 + строка 17 + строка 18+ строка 19 + + строка 20 + строка 21 + строка 22
4027,10
28,26
28,26
83 639,4 2+ 2 416,8 + + 3 050,01 + 8 850,74 + + 2 946,09 + 4 027,1 +
+ 28,26 = 104 958,42
27,6 X 75,5+ 5,5 X X 44 = 2 325,80
2 681,0 + 2 325,8 = = 5 006,8
141,62
124,35
453,36
141,62+ 124,35 + + 453,36 = 719,33
31 772,79 + 1 030,4 + + 2 069,53+ 16 332,35 + + 5 386,56 + 5 006,8 + + 719,33= 62 317/7
— 0,5 (104 958,42 —
— 62 317,76) = —0,5 X
X 42 640,66 =
= —21 320,33 —
— (104 958,42 —
—62 317,76) = = —42 640,66 — (21 320,33 +
Оборотные средства, руб.Капитальные затраты, руб.Изменения затрат, непосредственно связанных с условиями труда, руб.Приведенные затраты, руб.Годовой экономический эффект, руб.Оборотные средства, руб.Капитальные затраты, руб.Изменения затрат, непосредственно связанных с условиями труда, руб.Приведенные затраты, руб.Годовой экономический эффект, руб.Годовой экономический эффект из расчета на один ПР, руб.Срок окупаемости дополнительных капитальных затрат, летЭкономия от снижения себестоимости, руб.Величина дополнительных капитальных затрат руб.Повышение производительности живого труда,Годовой экономический эффект из расчета на один ПР, руб.Срок окупаемости дополнительных капитальных затрат, летЭкономия от снижения себестоимости, руб.Величина дополнительных капитальных затрат руб.Повышение производительности живого труда,Данные учета цехаСтрока 15+ строка 24++ строка 25ас = 0,26; см.формулу (9.6)Строка 23+ £н Xстрока 26,£н = 0,15См. формулу (9.2)Данные учета цехаСтрока 15+ строка 24++ строка 25ас = 0,26; см.формулу (9.6)Строка 23+ £н Xстрока 26,£н = 0,15См. формулу (9.2)См. формулу (9.24)См. формулу (9.24)43 155100 891,2+ 43 155 == 144 046,243 155100 891,2+ 43 155 == 144 046,2104 958,42 + 0,15 XX 144 046,20 == 126 565,35104 958,42 + 0,15 XX 144 046,20 == 126 565,35+ 42 640,66) == —63 960,9928 957232 673,65 — 63 960,99 ++ 28 957 = 197 669,660,26 X 104 958,42 == 27 289,1862 317,76 + 0,15 XX 197 669,66 == 91 968,20126 565,35 —— 91 968,20 ++ 27 289,18 == 61 886,3361 886,33 : 5 == 12 377,26197 669,66— 144 046,2 _ 104 958,42 — 623 17,76= 1,25104 958,42 — 62 317,76 == 42 640,66197 669,66— 144 046,2 == 53 623,461 г:д-I х 100 = 2754+ 42 640,66) == —63 960,9928 957232 673,65 — 63 960,99 ++ 28 957 = 197 669,660,26 X 104 958,42 == 27 289,1862 317,76 + 0,15 XX 197 669,66 == 91 968,20126 565,35 —— 91 968,20 ++ 27 289,18 == 61 886,3361 886,33 : 5 == 12 377,26197 669,66— 144 046,2 _ 104 958,42 — 623 17,76= 1,25104 958,42 — 62 317,76 == 42 640,66197 669,66— 144 046,2 == 53 623,461 г:д-I х 100 = 2754
Оборотные средства, руб.
Капитальные затраты, руб.
Изменения затрат, непосредственно связанных с условиями труда, руб.
Приведенные затраты, руб.
Годовой экономический эффект, руб.
Оборотные средства, руб.
Капитальные затраты, руб.
Изменения затрат, непосредственно связанных с условиями труда, руб.
Приведенные затраты, руб.
Годовой экономический эффект, руб.
Годовой экономический эффект из расчета на один ПР, руб.
Срок окупаемости дополнительных капитальных затрат, лет
Экономия от снижения себестоимости, руб.
Величина дополнительных капитальных затрат руб.
Повышение производительности живого труда,
Годовой экономический эффект из расчета на один ПР, руб.
Срок окупаемости дополнительных капитальных затрат, лет
Экономия от снижения себестоимости, руб.
Величина дополнительных капитальных затрат руб.
Повышение производительности живого труда,
Данные учета цехаСтрока 15+ строка 24++ строка 25ас = 0,26; см.формулу (9.6)
Строка 23+ £н Xстрока 26,£н = 0,15
См. формулу (9.2)
Данные учета цехаСтрока 15+ строка 24++ строка 25ас = 0,26; см.формулу (9.6)
Строка 23+ £н Xстрока 26,£н = 0,15
См. формулу (9.2)
См. формулу (9.24)
См. формулу (9.24)
43 155100 891,2+ 43 155 == 144 046,2
43 155100 891,2+ 43 155 == 144 046,2
104 958,42 + 0,15 XX 144 046,20 == 126 565,35
104 958,42 + 0,15 XX 144 046,20 == 126 565,35
+ 42 640,66) == —63 960,99
28 957232 673,65 — 63 960,99 ++ 28 957 = 197 669,660,26 X 104 958,42 == 27 289,18
62 317,76 + 0,15 X
X 197 669,66 == 91 968,20126 565,35 —— 91 968,20 ++ 27 289,18 == 61 886,33
61 886,33 : 5 == 12 377,26
197 669,66— 144 046,2 _ 104 958,42 — 623 17,76
= 1,25
104 958,42 — 62 317,76 == 42 640,66
197 669,66— 144 046,2 == 53 623,46
1 г:д
-I х 100 = 275
4
+ 42 640,66) == —63 960,99
28 957232 673,65 — 63 960,99 ++ 28 957 = 197 669,660,26 X 104 958,42 == 27 289,18
62 317,76 + 0,15 X
X 197 669,66 == 91 968,20126 565,35 —— 91 968,20 ++ 27 289,18 == 61 886,33
61 886,33 : 5 == 12 377,26
197 669,66— 144 046,2 _ 104 958,42 — 623 17,76
= 1,25
104 958,42 — 62 317,76 == 42 640,66
197 669,66— 144 046,2 == 53 623,46
1 г:д
-I х 100 = 275
4
Условная численность, используемая для расчета вспомогательных рабочих и ИТР.
а именно: две сверлильные — на двух'станках 2Н150 и двух станках 2Н118, две токарные — на двух станках ПР-1-02 и двух станках ПР-1-21, одна фрезерная — на двух станках 6Н520, одна слесарная, одна сварочная — на сварочном посту ЦП 535, одна калибровочная — на прессе П6330 и смазочная. При этом на линии работало 15 основных и 11 вспомогательных рабочих. Работа велась в две смены. После внедрения РТК операции стали выполняться с помощью четырех роботов «Универсал-15.01» и одного ПР «Циклон-ЗБ». За счет совмещения операций токарной № 2 и сверлильной № 1, сверлильной № 6 и фрезерной № 5, слесарной № 7 и калибровочной № 9, исключения сварочной № 8, а также сокращения непроизводительных затрат трудоемкость обработки одной детали сократилась в 1,6 раза. В начале линии заготовки размещаются в подающем бункере. В конце линии для приема готовых деталей установлена тара. Внутри линии детали транспортируются ленточным транспортером. ПР в процессе работы выполняют комплекс движений по загрузке-разгрузке станков и пресса. Обслуживание оборудования в смену ведут два оператора. Автоматическая работа линии осуществляется с помощью автономной автоматической системы, позволяющей управлять работой основного и вспомогательного оборудования. Работа ведется в две смены. Исходные данные для расчета годового экономического эффекта приведены в табл. 9.3 и ниже, коэффициенты начислений на заработную плату — в табл. 9.4.
За базу сравнения приняты технологический процесс, оборудование и условия труда, существовавшие на предприятии до внедрения ПР. Количество обрабатываемых в год деталей принято одинаковым до и после внедрения ПР и соответствует третьему году серийного производства катков.
Расчет годового экономического эффекта приведен в табл. 9.5. При расчете были приняты следующие исходные данные. Месячная зарплата (без начислений) составляет для оператора РТК 115,98 р., вспомогательного рабочего 103,17 р.; ИТР— 150,00 р. Норма амортизационных отчислений станочного оборудования составляет 11,6%, для приспособлений 60%, для производственных и служебно-бытовых 2,4 %. Норма обслуживания производственных и служебно-бытовых площадей — 2 %. Стоимость оборотных средств на годовую программу принята до внедрения равной 43,155 тыс. руб., после внедрения — 28,957 тыс. руб. Норма затрат на обучение одного основного производственного рабочего и оператора РТК равна 400 р., одного вспомогательного рабочего — 200 р. Норма затрат на охрану труда в год на одного рабочего — 37,2 р., на одного служащего — 3 р. Количество вспомогательных рабочих, операторов РТК, ИТР составляет от численности основных производственных рабочих соответственно 71; 26,6 и 15 % .
Как видим из табл. 9.5, экономия от снижения себестоимости составит 42,64 тыс. руб. Срок окупаемости составит 1,25 года, что не уступает лучшим зарубежным показателям. Годовой экономический эффект достигнет 61,886 тыс. руб., или 12,377 тыс. руб. в пересчете на один ПР. Производительность живого труда возрастет на 275 %, будет высвобождено 11 основных и 4 вспомогательных рабочих.
Расчет свидетельствует о том, что умелое применение ПР дает результаты, намного превышающие средние данные, приведенные выше.
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
Создание и внедрение ПР в нашей стране является общегосударственной задачей, возрастающее значение которой было подчеркнуто в решениях XXVI съезда партии. Для промышленности задачу, связанную с роботизацией, можно разделить на две части. Первая часть связана с созданием системы базовых моделей и модификаций ПР, объединенных в оптимальный по технико-экономическим показателям отраслевой типоразмерный ряд. Вторая часть задачи относится к созданию систем РТК различного назначения, удовлетворяющих потребностям конкретной отрасли. Оптимальная стратегия в проведении работ по их решению вырабатывается и реализуется путем целенаправленного формирования отраслевой системы РТК в рамках долгосрочных комплексных отраслевых программ.
Кратко схема и содержание работ по созданию ПР и РТК выглядят следующим образом. Первым этапом работ является определение общесистемных требований к отраслевой системе РТК. На этом этапе после проведения системного анализа целей и задач комплексной автоматизации производства с применением ПР конкретизируются вопросы организации и структуры РТК, оцениваются ресурсы, необходимые для их создания.
Робототехнические комплексы рассматриваются как открытые, развивающиеся, гибкие и универсальные комплексы автоматизации производства. Свойство открытости РТК обеспечивается возможностью их расширения по горизонтали за счет включения в них новых составных частей и по вертикали за счет наращивания уровней управления все более высокого ранга. Гибкость и универсальность обеспечиваются возможностью формирования из ограниченного числа компонентов с рационально выбранными функциями требуемого множества РТК, имеющих разнообразное назначение и легко переналаживаемых за счет перепрограммирования, замены или добавления новых, входящих в них элементов.
В качестве основного принципа организации РТК целесообразно применять принцип модульности. Использование такого принципа обеспечивает возможность построения наибольшего числа различающихся конфигурацией РТКиз минимального количества компонентов при максимальной их унификации. Состав и характеристики компонентов определяются на основе анализа статистических данных по требуемой структуре, функциям и принципам работы намеченного к созданию множества РТК. Следующий этап — проведение комплекса предпроектных работ по изучению закономерностей построения и функционирования РТК, сбору данных для уточнения технико-экономических требований к ним. Наконец, выполняется собственно проектирование
ПР и РТК с единых позиций системного подхода.
Особое место занимают натурное макетирование, изготовление и испытание натурных образцов.
Промышленные роботы нашли применение прежде всего для улучшения условий труда, т. е. для достижения социального эффекта, на основе и после реализации которого получаем экономический эффект. Это заставляет тщательно изучать все социальные аспекты внедрения ПР, их влияние как на качественные, так и на количественные показатели экономической эффективности ПР. Внедрение ПР^гафредприятияХ-ВОзможно только при наличии высокой культуры производства и требует строгого соблюдения технологической дисциплины. Все это предъявляет высокие требования к уровню подготовки инженерно-технических работников и рабочих. Можно уже^сейчас с большой степенью определенности предположить, что для обслуживания участка или линии, включающей десять и более ПР, снабженных контурными системами программного управления, в качестве оператора или наладчика РТК целесообразно использовать инженерно-технических работников, которые будут не только выполнять функции обеспечения заготовками, переналадки и контроля, но и^ремонта ПР.
Созданные в настоящее время РТК позволяют в производственных условиях отработать структуру, организацию, штаты, нормативы, эксплуатацию и материально-техническое обеспечение производственных ячеек будущих автоматизированных цехов и автоматизированных предприятий.
Таким образом, задача, поставленная XXVI съездом КПСС, — о том, чтобы «...развивать производство и обеспечить широкое применение автоматических манипуляторов (промышленных роботов), встроенных систем автоматического управления с использованием микропроцессоров и микро-ЭВМ, создавать автоматизированные цехи и заводы», имеет прочную базу для своего разрешения. Завершение становления робототехники позволит в ближайшее десятилетие «обеспечить дальнейший социальный прогресс общества, осуществить широкую программу повышения народного благосостояния».
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
Автоматические манипуляторы с программным управлением (промышленные роботы), разрабатываемые Минстанкопромом в 1976—1980 гг. М-! НИИМАШ, 1977. 40 с. '
Артоболевский И. И., Кобринский А. Е. Роботы. — Машиноведение, 1970, № 5, с. 3— 1.
Баранов В. А. Информационное обеспечение регионального развития отрасли. — Экономика и системы управления, 1977, вып. 2 (23), с. 3—10.
39 4. Беляиии П. Н. Промышленные роботы. М.: Машиностроение, 1975.
Белянин П. Н. Промышленные роботы Японии. М.: НИАТ, 1977, 456 с.
Бидерман В. М. Прикладная теория механических колебаний. М/. Высшая школа, 1972. 416 с.
7. Бушении Д. В. Винтовые механизмы. Владимир.: ВСНТО, 1980. 71 с.
Воспроизводство рабочей силы и повышение эффективности использования трудовых ресурсов/Под ред. Ф. М. Волкова, В. С. Немченко, В. Н. Ягод- кина. М.: МГУ, 1971. 279 с.
Герц Е. В. Пневматические приводы. Теория и расчет. М.: Машиностроение, 1969. 358 с.
Герц Е. В., Крейнин Г. В. Расчет пневмопроводов. Справочное пособие. М.: Машиностроение, 1975. 272 с.
Голубенцев А. Н. Динамика переходных процессов в машинах со мно- гими^массами. Киев: Машгнз. 1959. 146 с.
Групповое управление промышленными роботами в сварочном произ- Водстве/Ф. И. Киселевский, Г. А. Спыну, Н. Р. Швыдский и др.—Механизация и автоматизация управления, 1976, № 4, 48—52 с.
Егоров С. А. Проектирование цехов машиностроительных предприятий. М.: Машиностроение, 1965. 480 с.
Збихарский 3. Организация рабочего места. — В кн.: Эргономика. М.: Мир, 1971. с. 282-331.
Калабин И. В. Дифференциальные механизмы манипуляторов. — Стаики н инструмент, 1978, № 7, с. 20—23.
Камышный Н. И., Павленко И. И. Кинематика промышленных роботов. — Вестник машиностроения, 1975, № 1, с. 63—65.
Кирдяшев Ю. Н., Иванов А. Н. Проектирование сложных зубчатых механизмов. Л.: Машиностроение, 1973. 352 с.
Коган М. С., Агафонов Ю. Т., Шишулин А. П. Опыт эксплуатации промышленных роботов «Циклон-ЗБ».—Станки и инструмент, 1978, № 11, с. 17—19.
Козырев Ю. Г. Построение типажа промышленных роботов. — Станки и инструмент, 1978, № 7, с. 1—8.
Косилов С. А. Физиологические основы НОТ. М.: Экономика, 1969. 302 с.
Крейнес М. А., Розовский М. С. Зубчатые механизмы. Выбор оптимальных систем- Мл Наука, 1972. 428 с.
Кулешов В. С., Лакота Н, А. Динамика систем управления манипуляторами. М,: Энергия, 1971. 304 с.
Кулешов В. В. О связи критериев прочности и надежности элементов двигатедя. — Известия вузов. Авиационная техника, 1965, № 3, с. 89—97.
Левина 3. М., Решетов Д, П- Контактная жесткость машин, М.: Маши- построение, 1971. 264 с.
Левитский Н. И., Цуханова Е. А. Расчет управляющих устройств для торможения гидроприводов. М.: Машиностроение, 1971. 262 с,
Лукомский Я- И. Теория корреляции и ее применение к анализу производства, М.: Госстатиздат, 1958. 388 с,
Методика (основные положения) определения экономической эффективности использования в народном хозяйстве новой техники, изобретений и рационализаторских предложений. М.: ГКНТ, 1978, 41 с.
Методические вопросы определения социально-экономической эффективности новой техники/Под ред, М. А. Виленского. М.: Наука, 1977. 230 с.
Мишкинд С. И., Ефремов Е. В. Развитие роботехники за рубежом (по материалам 3-го международного симпозиума по промышленным роботам): Обзор. М.: НИИМАШ, 1976. 88 с.
Определение экономической эффективности промышленных роботов. М.: ЭНИМС, 1978. 78 с.
Определение эффективности мероприятий по улучшению условий труда (межотраслевые методические рекомендации). М : НИИтруда, 1979. 60 с.
Организация производства на промышленных предприятиях США: Перевод с англ. М.: Иностранная литература, 1961, т. 2. 562 с.
Особенности конструкции роботов модульного типа/Б. Н. Сурнин, В. П. Степанов, И. В. Калабин и др. — Станки и инструмент, 1978, № 7, с. 13—16.
Патон Б. Е., Спыну Г. А., Тимошенко В. Г. Промышленные роботы для сварки. Киев: Наукова думка, 1977. 227 с.
Принципы построения двигательной системы автоматических манипуляторов с программным управлением/А. Е. Кобринский, А. И. Корендясев, Б. Л. Саламандра и др. — Станки и инструмент, 1976, № 4, с. 3—10.
Промышленные роботы зарубежных фирм и их применение/П. Н. Белянин, Б. Ш. Розин, В. Н. Данилевский и др. М.: НИАТ, 1973. 134 с.
Попов Е. П. Роботы-манипуляторы. М.: Знание, 1974. 64 с.
Решетов Д. Н. Детали машин. М.: Машиностроение, 1974. 656 с.
Романовский В. П. Справочник по холодной штамповке. М. Машиностроение, 1971. 788 с.
Системы управления промышленными роботами и манипулято- рами/Е И. Юревич, Ю. Д. Андрианов, С. И. Новаченко и др. Л.: ЛГУ, 1980, 184 с.
Социально-экономические проблемы технического прогресса. М.: АН СССР, 1961. 479 с.
Тимченко В. А. Анализ устойчивости гидравлических усилителей крутящих моментов типа МГ 18-1 с помощью метода гармонической линеаризации нелинейностей. — В сб.: Гидропривод и гидроавтоматика. Киев: Техника, 1968, № 3, с. 107—121.
412
Требования к элементам силовой части электроприводов с широкой полосой пропускания. — В сб.: Электромашинные средства автоматики/Под ред. Ю. К. Васильева. Киев: Институт автоматики, 1975, с. 56—57.
Удерман Э. Г. Необходимые условия устойчивости линейных стационарных систем. — Автоматика и телемеханика, 1979, № 4, с. 162—165,
Устройство промышленных роботов,'£• И. Юревич, Б. Г. Аветиков, О. Б. Корытко и др. Л.: Машиностроение, 1980, 332 2,
Automation comes to die forging. «American Machinist», vol. 115, N 23, 1971, p. 86-87.
Heginbotham W. B., Matoug F. B. Economies Inflation and automation. «Economic and Effective Materials Handing. National Exhibition Centre», Birmingham. England, May 17 th—20 th, 1977, p. 3—19,
ОГЛАВЛЕНИЕ
Предисловие 3
Введение (Я. А. Шифрин, А. Г. Баранов) 4
Глава 1
Универсальные промышленные роботы, устройство и характеристики . .12
Робот «Универсал-5» (В. Г. Михеев) ...........12
Робот «Универсал-15» и его модификации (А. В. Бабич) . . .18
Робот модульного типа РПМ-25 (И. В. Калабин) ......48
Глава 2
Промышленные роботы с цикловой системой программного управления
^Я. А. Шифрин, В. Г. Михеев) 56
Принципы построения, особенности 56
Робот «Циклон-ЗБ» 59
Робот «Циклон-5.01» и его модификация 69
Робот «Ритм-05» и особенности его конструкции 74
Робот «Ритм-01» и его модификации 80
Глава 3
Вопросы проектирования и элементы расчета механической системы универсальных промышленных роботов 84
Механическая система (Я. В. Калабин) 84
Динамика механизмов ПР (В. М. Степанов) 126
Глава 4
Расчет деформаций механической системы и надежность промышленных роботов 148
Расчет деформаций механической системы ПР (А. В. Бабич) . .148
Надежность ПР (А. В. Бабич, Д. А. Шуилко) ........173
Глава 3
Системы управления промышленными роботами,188
Следящие системы ПР (Л. Я. Глейзер) 188
Системы программного управления ПР (И. Б. Кнауэр) . . . .215
Цикловые системы программного управления (И. Б. Кнауэр)257
Глава 6
Основы проектирования и расчета промышленных роботов с цикловой СПУ и пневмоприводом (В. Г. Михеев) ...............265
Обоснование и выбор основных параметров промышленных роботов с цикловой СПУ 265
Исследования приводов исполнительных механизмов ПР с цикловой системой программного управления 274
Обоснование выбора промышленных роботов с пневмоприводом и цикловой системой программного управления 294
Глава 7
Робототехнические комплексы (Л. А. Шифрин, А. А. Кудинов, Б. М. Ко- зунко) 299
Основные принципы построения робототехнических комплексов 299
Структуры робототехнических комплексов в кузнечных цехах 302
Структуры робототехнических комплексов в листоштамповочных цехах 304
Структуры робототехнических комплексов па основе машин литья под давлением 310
Структуры робототехнических комплексов в механических цехах 311
Структуры робототехнических комплексов на сборочно-сварочных операциях 314
Структуры робототехнических комплексов в термических цехах 318
Глава 8
Примеры применения промышленных роботов (Д. А. Шифрин, А. А. Ку
динов, Б. М. Козунко) .......................322
Оценка целесообразности внедрения ПР 322
Роботизация процессов горячей объемной штамповки . . . .338
Роботизация процессов холодной листовой штамповки . . . .349
Роботизация процессов механической обработки деталей на металлорежущих станках 359
Глава 9
Технико-экономические и социальные аспекты промышленной робототехники (Д. А. Шушко) ........................373
Социальные и экономические особенности внедрения ПР и РТК 373
Особенности определения экономической эффективности от внедрения ПР и созданных на их базе РТК 376
Исследование области применения ПР 385
Особенности использования срока окупаемости в качестве критерия экономической эффективности 389
Анализ технико-экономических показателей внедрения РТК 392
Пример расчета годового экономического эффекта от внедрения РТК 395
Заключение (Я. А. Шифрин) 409
Список литературы 411
S 1 4" Xxj 1 /3 I 1 + Ор 2 /3 | 1 + Ог >3 I I + Хфз
= EJX1 Т~х
X (Z2 sin а 4- Zj cos а)2 Z3 4- 1^з!
б25 = —■ 4- ^32 + ■1 ^Л^3 U sin а (Zr sin а 4- ly cos а);
^28 — (Z2 cos а 4 /j sin а) -у /8 4—д- ^з,
^58 = —Т ^ U2 Cos а ’к1 4" Кхз 1 /3088 р тg И-
ПРОМЫШЛЕННАЯ
iiРОБОТОТЕХНИКА
i
i
ааПод редакцией лауреата Государственной премии СССР Я. А. ШИФРИНА
а
а
а
й
я
•в
С
<-
ы ».
э- о о (а 'О
МОСКВА
«МАШИНОСТРОЕНИЕ”
1982
ББК 32.96
П81
УДК 007.52 : 62
Авторы:
А. В. Бабич, А. Г. Баранов, И. В. Калабин, И. Б. Кнауэр, Б. М. Козунко, А. А. Кудинов, В. Г. Михеев, В* П. Степанов, Я. А. Шифрин, Д. А. Шушко, Л. Я- Глейзер
Редактор д-р техн, наук проф. В, И. ПУХОВ1
Промышленная робототехника/А. В. Бабич, А. Г. Ба- П81 ранов, И. В. Калабин и др. Под ред. Я. А. Шифрина — М.: Машиностроение, 1982 — 415 с., ил.
В пер.: 1 р. 90 к.
В книге освещен опыт создания и применения серийно выпускаемых в СССР промышленных роботов. Дано общее представление о роботах и их месте в автоматизированном производстве. Описано устройство универсальных и цикловых роботов, приведены их технические характеристики. Рассмотрены вопросы проектирования и расчета промышленных роботов, применения их и робототехнических комплексов в отечественной промышленности. Изложены социальные и технико-экономические аспекты применения роботов.
КБ—62—14—81КБ—62—14—81ББК 32.96 6Ф6ББК 32.96 6Ф6Книга рассчитана на конструкторов и технологов машиностроительных заводов.
КБ—62—14—81
КБ—62—14—81
ББК 32.96 6Ф6
ББК 32.96 6Ф6
2404000000-615
"038(01)-82
4.
© Издательство «Машиностроение», 1982 г. - |