Содержание к диссертации
Введение
Глава 1. Сравнительный обзор и анализ методов и средств автоматизации технологических процессов Постановка задачи исследований 13
1.1. Анализ тенденций развития современного автоматизированного мелкосерийного производства (на примере холодной штамповки) 16
1.1.1. Тенденции развития современного автоматизированного производства 16
1.1.2. Основные направления автоматизации мелкосерийного производства (на примере холодной штамповки) 25
1.2. Особенности конструкции, технологические требования к функциональным возможностям и основные направления развития промышленных роботов 31
1.2.1. Общая характеристика ПР 31
1.2.2. Особенности конструкции и основные тенденции развития промышленных роботов 34
1.3. Характеристики и тенденции развития манипуляционного вспомогательного оснащения РТК 38
1.4. Динамические аспекты разработки роботизированных производств холодной штамповки 47
1.4.1. Проблемы упругих колебаний и особенности динамики исполнительных механизмов ПР 47
1.4.2. Способы и средства ограничения упругих колебаний ПР 49
1.5. Формулирование принципов создания манипуляционного оснащения РТК холодной штамповки 55
1.6. Цели и задачи исследования 60
Глава 2. Разработка методологии проектирования и манипуляционного оснащения РТК мелкосерийного производства (на примере листовой штамповки) 62
2.1. Разработка методологии проектирования РТК холодной штамповки 63
2.1.1. Анализ и систематизация объектов производства и РТК 63
2.1.2. Методология обследования и анализа объектов автоматизации 63
2.1.3. Методология проектирования и разработки РТК 66
2.1.4. Принципы построения и требования к модульным накопительно-ориентирующим устройствам РТК 76
2.2. Накопительно-ориентирующие устройства для РТК штамповки 77
2.3. Особенности работы устройства и его динамическая модель 81
2.3.1. Расчет косозубой муфты НОУ 81
2.3.2.Разработка динамической модели пневмопривода вращения поворотного стола 84
2.4. Экспериментальные исследования динамических и точностных характеристик 87
2.5. Технические решения по улучшению динамических характеристик и повышению точности накопительного-ориентирующих устройств 91
2.5.1. Устройство с компенсацией момента инерции поворотного стола 91
2.5.2. Устройство с клиновым тормозным механизмом 94
2.5.3. Устройство с шарнирным креплением кассет 96
2.5.4. Устройство с гидравлическим демпфером 97
2.5.5. Устройство с гидравлическим демпфером переменного сопротивления 100
2.5.6. Устройства, расширяющие возможности НОУ 106
2.6. Дополнительные унифицированные элементы вспомогательного оснащения 110
2.7. Схемы вспомогательного оснащения РТК, построенного на базе высокоскоростных простейших модулей промышленных роботов 115
2.8. Выводы по второй главе 117
Глава 3. Расчетные схемы и динамические модели механизмов роботов и вспомогательных устройств 118
3.1.Экспериментальные исследования жесткости и точности исполнительных органов промышленных роботов 118
3.1.1. Исследования жесткости ИОПР 118
3.1.2. Исследование точности позиционирования ИО ПР 126
3.2. Расчетные схемы исполнительных механизмов типовых роботов 131
3.3. Динамические модели исполнительных механизмов ПР 141
3.4. Исследование упругих колебаний исполнительных механизмов в режиме позиционирования 151
3.5. Выводы по главе 157
Глава 4. Методы управления динамическими параметрами манипуляционной оснастки на основе алгоритмов изменения структуры 158
4.1. Методика выбора и алгоритмы управления электропривода модульного накопительно-ориентирующего устройства 158
4.2. Позиционирование промышленного робота при переключении труктуры цепи управления 167
4.2.1. Регулирование в пределах максимально допустимого напряжения 169
4.2.2. Регулирование с ограничением пускового напряжения 171
4.2.3. Переключение структуры по алгоритму, обеспечивающему максимальное быстродействие 173
4.3. Исследование адаптивных пневматических демпферов и упоров с управляемой жесткостью 176
4.4. Выводы по главе 4 183
Глава 5. Динамика и управление движением манипуляционной оснастки с приводами использующими аккумуляторы механической энергии 185
5.1. Динамика резонансного привода манипулятора с позиционным управлением 186
5.2. Динамика и управление пневмомеханическим приводом накопительно-ориентирующего устройства 198
5.3. Исследование прецизионного пневмопривода промышленного робота для точной ориентации заготовок 207
5.4.Выводы по главе 5 214
Основные результаты и выводы 216
Список литературы 219
Приложение. Внедрение результатов диссертационной работы 231
- Тенденции развития современного автоматизированного производства
- Методология обследования и анализа объектов автоматизации
- Исследование точности позиционирования ИО ПР
- Методика выбора и алгоритмы управления электропривода модульного накопительно-ориентирующего устройства
Введение к работе
Развитие современного общества связано с развитием его промышленного потенциала, созданием и эксплуатацией различных производств с технологическими процессами, которые все более и более насыщаются машинами и комплексами машин, работающих в автоматическом режиме. Можно говорить об автоматизации производства и технологических процессов как устойчивой тенденции, отражающей последние достижения в области машиностроения, механики, теории автоматического управления, вычислительной техники и информатики.
Железнодорожная отрасль, не являясь исключением из общих тенденций развития промышленности, подтверждает необходимость широкого внедрения в инженерную практику средств автоматизации труда в различных формах их реализации. В последнее время широкое внедрение получили системы автоматизированного управления перевозками, средства автоматизации железнодорожных производств и ремонтных работ. Вместе с тем, на современном этапе исключительную актуальность приобрели вопросы комплексной механизации и автоматизации производственных процессов на базе применения вычислительной техники, системы машин, автоматических манипуляторов с программным управлением, автоматизированных и роботизированных комплексов и линий, гибких производственных систем, охватывающих основное, вспомогательное и обслуживающее производства.
В Комплексной программе МПС по реорганизации и развитию отечественного локомотиво- и вагоностроения, организации ремонта и эксплуатации пассажирского и грузового подвижного состава на период 2001 - 2010 гг.[200] одними из основных, наряду с задачами повышения безопасности и скорости движения поездов, поставлены задачи внедрения малолюдных технологий при производстве, обслуживании и ремонте подвижного состава нового поколения, который будет строиться на основе максимальной унификации, модульности основных элементов, широкого внедрения средств контроля технического состояния и диагностики основных узлов, совершенствования системы обслуживания и ремонта.
Аналогичные задачи сформулированы в перечне актуальных проблем научно-технического развития железнодорожного транспорта на 2001-2003 гг.(Указание МПС № М-2775у от 17.11.2000 г.).
Отечественная промышленность, в целом, имеет достаточно большой опыт в решении проблем комплексной механизации и автоматизации производственных процессов. В течение 70-80х годов многие отрасли промышленности активно работали и добились определенных успехов в направлении комплексной механизации и автоматизации производства, развивая идеи и подходы построения робото-технических комплексов (РТК), роботизированных технологических линий (РТЛ), гибких производственных систем и модулей, интегрированных производств.
Концепции, вопросам автоматизации производств на основе робототехниче-ских комплексов, промышленных роботов и манипуляционной вспомогательной оснастки посвятили свои работы известные российские ученые: Белянин П.И., Воробьев Е.И., Емельянов СВ., Макаров И.М., Петров Б.А., Попов Е.П., Охоцим-ский Д.Е., Черноусько Ф.А., Кулешов B.C., Кобринский А.Е., Козырев Ю.Г., Ко-рендясев А.И., Лакота Н.А., Юревич Е.И., Елисеев СВ., Иванов Ю.В., Козловский В.А. Семенов Е.И., Тимофеев А.В., и др., а также зарубежные ученые: Вукобрато-вич М., Стокич Д., Накано Э., Пол Р., Фу К., Гонсалес Р., Асада Н. и др.
Несмотря на значительный объем внедрения РТК у нас в стране и за рубежом, нельзя не отметить, что многие вопросы обеспечения эффективной работы типовых, основополагающих модулей автоматизации по-прежнему привлекают внимание и ученых и специалистов практиков. Речь идет о комплексе оборудования минимальной конфигурации, образующем роботизированный модуль, состоящий из промышленного робота (ПР), рабочей машины и элементов околороботной оснастки (включающих устройства накопления и ориентированной выдачи деталей), взаимодействие которых обеспечивает непрерывный процесс. Промышленный робот здесь выполняет роль универсального технологического связующего устройства. Такие типовые модули внедряются и используются во многих отраслях промышленности. Они характерны для машиностроения (особенно штамповки), используются в легкой промышленности, производствах строительных материа- лов, при сборке электронных изделий.
Подходы, основанные на представлениях о рациональном распределении функций и требований к сложности устройств и элементов РТК, их динамической точности, надежности работы, можно объединить как естественное желание уменьшить сложность робота (он станет дешевле и надежнее), переложить часть функций позиционирования, ориентации и перемещения исходной детали на накопительно-ориентирующее устройство. Такой комплекс часто позволяет реализовать более экономичное решение автоматизации технологического процесса. Вместе с тем элементы такого РТК должны обладать определенной гибкостью, потенциалом к перестройке РТК, возможности использования в других технологических процессах. Такое направление в автоматизации технологических процессов представляется актуальным, современным и требует разработки и развития соответствующих научных обоснований, методических документов, необходимых для решения широкого круга возникающих инженерно-технических задач. К последним могут быть отнесены системные подходы в определении необходимых структурно-компоновочных решений, в выборе конструктивных схем роботов и накопительно-ориентирующих устройств и другого манипуляционного оснащения, в обеспечении их быстродействия и точности, в том числе, за счет ограничения упругих колебаний исполнительных механизмов роботов и элементов РТК.
Актуальность и необходимость решения отмеченных выше задач для промышленности определили направление и цели работы.
В главе 1 дан анализ тенденций развития современного автоматизированного мелкосерийного производства на примере холоднолистовой штамповки, конструкций промышленных роботов и вспомогательной оснастки. Рассмотрены динамические аспекты функционирования РТК. Сформулированы принципы создания манипуляционного оснащения РТК холодной штамповки, цели и задачи исследований.
В главе 2 предложена методология проектирования РТК холодной штамповки, сформулированы требования к накопительно-ориентирующим устройствам (НОУ), предложены оригинальные конструктивные решения НОУ, разработаны их динамические модели. На основе экспериментальных исследований предложены технические решения по улучшению динамических характеристик и повышению точности НОУ.
В главе 3 проведены экспериментальные исследования жесткости, точности и упругих колебаний исполнительных механизмов промышленных роботов в режиме позиционирования, предложены расчетные схемы и разработаны динамические модели исполнительных механизмов ПР.
В главе 4 предложены методика выбора и алгоритмы управления электропривода модульных элементов РТК на основе принципов переключения структуры. Рассматривались модули накопительно-ориентирующего устройства, простого робота и демпфирующих тормозных устройств в задачах повышения производительности при обеспечении динамической точности позиционирования и уменьшении упругих колебаний рассматриваемых приводов и устройств исполнительных органов, изменяющих в процессе функционирования свои инерцион-но-жесткостные параметры.
В главе 5 исследовалась динамика резонансного привода манипулятора с позиционным управлением, динамика и управление пневмомеханическим приводом накопительно-ориентирующего устройства, а также прецизионного пневмопривода промышленного робота для точной ориентации заготовок
Направление работ определено: координационным планом НИР АН СССР по комплексной проблеме «Проблемы механики и управления в робототехнических системах и автоматизированных производствах» на 1986-1990 гг. (постановление СФТМН Президиума АН СССР 11000-494-1216) - п. 1.11.3.1, тема «Теория и принципы построения механизмов РТС и автоматизированных комплексов»; программой СО АН СССР по приоритетным направлениям развития науки и техники в 12-13 пятилетках «Научные основы машиностроения и надежности машин», Раздел 5 «Разработка научных основ проектирования машин, робототехнических и гибких производственных систем», п. 5.1. «Разработка теоретических основ создания робототехнических и гибких производственных сис- тем»; программой фундаментальных исследований АН СССР по комплексной проблеме «Машиностроение и технология», Раздел 2 «Автоматизация в машиностроении», п.2.1.2. «Разработка теоретических основ создания робототехниче-ских и гибких производственных систем для реализации новых технологий в машиностроении (технологии автоматизированных производств)»; планом НИР организаций: НИ AT МАП, Иркутский технический университет, Иркутский государственный университет путей сообщения МПС; а также, поисковыми и хоздоговорными НИР с предприятиями, научно-исследовательскими организациями и КБ.
Целью работы является разработка принципов построения и обеспечение динамической точности и взаимодействия манипуляционного оснащения роботизированных технологических комплексов.
Методы исследования. В работе использовался комплексный метод исследований, включающий как теоретические, так и экспериментальные исследования динамических характеристик и динамической точности исполнительных механизмов манипуляционной оснастки РТК. Теоретические исследования проводились с использованием методов механики, теории колебаний, метода фазовой плоскости, теории автоматического управления, математического и численного моделирования технических систем.
Научную новизну диссертации представляют следующие основные результаты, которые выносятся на защиту: - принципы построения манипуляционного оснащения современных робо- тотехнических комплексов холодной листовой штамповки, заключающиеся в дифференциации манипуляционных операций при рациональном их распределе нии между элементами РТК, упрощении и модульном построении конструкций ПР и вспомогательной манипуляционной оснастки, использовании новых методов и средств повышения быстродействия и динамической точности исполнительных механизмов РТК; - новые технические решения и методология проектирования вспомога- тельного манипуляционного оснащения РТК холодной штамповки (на примере модульного накопительно-ориентирующего устройства), а также средства повышения их гибкости и расширения функциональных возможностей; - динамические модели, результаты теоретических и экспериментальных исследований динамической точности и быстродействия промышленных роботов и элементов вспомогательной манипуляционной оснастки РТК; эффективные способы и средства повышения быстродействия и управления упругими колебаниями разнообразных конструкций типовых модулей РТК (приводов, демпфирующих устройств) на основе использования принципов аккумулирования механической энергии и целенаправленного переключения структуры, алгоритмы управления приводами исполнительных механизмов манипуляци-онных элементов РТК; результаты теоретических и экспериментальных исследований предложенных технических решений накопительно-ориентирующих устройств, их приводов, тормозных и демпфирующих устройств, подтвердившие их работоспособность и высокую эффективность.
Практическая значимость. Разработаны предложения, доведенные до уровня инженерных методик расчета РТК, предложены методы и средства подавления упругих колебаний ПР и манипуляционных элементов РТК, обеспечения точности их позиционирования, взаимодействия с элементами РТК. Создано инженерно-техническое обоснование для выбора компоновочных решений РТК. Результаты работы внедрены на нескольких предприятиях Министерства авиационной промышленности в виде робототехнических комплексов холодной листовой штамповки с существенным экономическим эффектом.
Результаты работы использованы в Руководящих технических материалах и других практических приложениях, внедрены на предприятиях авиационной промышленности, машиностроения, предприятиях электронных отраслей.
Достоверность научных положений и теоретических результатов исследований подтверждается практической результативностью внедрений, использования рекомендаций, экспериментальными исследованиями.
Результаты внедрения. Основные результаты работы внедрены в рамках научно-исследовательских и внедренческих работ, проводимых Иркутским филиалом НИАТ с предприятиями авиационной промышленности и другими предприятиями региона: Иркутским авиационно- производственном объединением (ОАО ИАПО); Улан-Удэнским авиационным заводом (У-УАЗ); Комсомольск-на -Амуре авиационным производственным объединением; Арсеньевским заводом «Прогресс»; Красноярским металлургическим заводом.
Апробация работы. Результаты разработок, исследований, внедрений докладывались: на Всесоюзном симпозиуме по робототехническим системам (Суздаль, 1978г.); на II Всесоюзном совещании по робототехническим системам (Минск, 1981г.); на Всесоюзном научно-техническом семинаре «Опыт разработки и внедрения автоматических манипуляторов и технологических комплексов с их использованием» (Москва, ВДНХ СССР, 1982г.); на 3-й Всесоюзной научно-технической конференции «Динамика станочных систем гибких автоматизированных производств» (Тольятти, 1988г.); на научно-техническом семинаре «Промышленные роботы и их применение» (Москва, филиал ВДНХ, 1980г.); на Всесоюзной конференции «Повышение безопасности оборудования на основе применения автоматической защиты и промышленных роботов» (Казань, 1981г.); на отраслевых конференциях по робототехнике (Москва, 1980, 1988гг., Ленинград, 1982г.); на научно-технических семинарах Ленинградского Дома научно-технической пропаганды (ЛДНТП, 1978, 1982, 1989гг.); на научно-технических семинарах по робототехнике и ГПС Приволжского Дома научно-технической пропаганды (Пенза, 1982, 1984, 1986гг.); на семинаре «Промышленные манипуляторы и роботы» Севастопольского филиала Республиканского Дома экономической и научно-технической пропаганды (Севастополь, 1978г.); на краевых научно-практических семинарах (Красноярск, 1977, 1979гг.); на научно-практической конференции «Повышение производительности и качества продукции в условиях автоматизации машиностроительного производства» (Барнаул, Алтайский политехнический институт); на межвузовской конференции «Управляемые механические системы» (Иркутск, политехнический институт); на областных научно- технических конференциях (Иркутск, 1977, 1980, 1984, 1986, 1987гг.); на конференциях и семинарах Иркутского государственного технического университета (1974-2000гг.); на семинарах и конференциях Иркутского государственного университета путей сообщения (2000-2002гг.).
Публикации. По результатам выполненных исследований опубликовано 2 монографии, 38 печатных работ в виде статей, докладов и тезисов докладов, получено 12 авторских свидетельств на изобретение.
Структура диссертации. Диссертация состоит из введения, пяти глав, заключения, списка литературы и приложения. Работа представлена на 243 стр., включает 5 таблиц, 86 рисунков на 23 страницах, библиографию из 164 наименований на 12 страницах, приложение на 14 страницах.
Тенденции развития современного автоматизированного производства
На современном этапе исключительную актуальность приобрела комплексная механизация и автоматизация производственных процессов на базе применения вычислительной техники, системы машин, автоматических манипулято ров с программным управлением, автоматизированных и роботизированных комплексов и линий, гибких производственных систем, охватывающих основное, вспомогательное и обслуживающее производства. Традиционные средства автоматизации, основу которых составляют различные механические средства управления, задающие необходимую последовательность действий, находят применение в основном при автоматизации материальных потоков на предприятиях крупносерийного и массового производства со стабильной номенклатурой изделий. Дальнейшее совершенствование крупносерийного и массового производства заключается в создании комплексно-механизированных поточных линий и их высшей формы - автоматических линий [5].
Однако наряду с высокой производительностью, надежностью и низкой трудоемкостью изготовления изделий, средствам автоматизации в массовом и крупносерийном производстве присуща наименьшая гибкость, определяемая невозможностью быстрой переналадки оборудования на другой тип изделий. Именно этим объясняется основной недостаток традиционных средств автоматизации - узкая специализация, изготовление определенного вида изделий.
В настоящее время усилилась тенденция смещения акцентов от производства с узкой номенклатурой к многономенклатурному производству, которое стало преобладающим в общем объеме промышленной продукции в связи с резко возрастающей потребностью в новых видах изделий с быстрой сменяемостью моделей. Согласно прогнозам, эта тенденция сохранится и в ближайшем будущем. Многономенклатурное производство будет доминировать, составляя до 80 % от общего объема промышленного производства. Упомянутая тенденция, а также отток кадров из промышленного производства в сферу обслуживания являются важнейшими причинами, обусловившими качественно новый подход к решению вопросов комплексной автоматизации, который принципиально отличается от традиционного направления автоматизации, крупносерийного и мелкосерийного производства [28,44].
Достижения науки и техники позволили сформировать генеральное направление комплексной автоматизации мелкосерийного производства на базе при менения оборудования с ЧПУ, роботизации технологических процессов, создания информационно-вычислительных систем с автоматическим диспетчирова-нием. При этом технологическая гибкость мелкосерийного производства определяется гибкостью технологических модулей. Она будет тем выше, чем меньше времени затрачивается на переналадку модулей и чем больше номенклатура выпускаемых изделий. Важнейшим компонентом гибкости технологических модулей являются промышленные роботы. Учеными и производственниками накоплен значительный научный и практический потенциал использования промышленных роботов при автоматизации мелкосерийного производства. Это касается вопросов разработки нового оборудования и новых технологий для автоматизации с применением промышленных роботов, а также использования последних в действующих производствах с учетом реально ограниченных возможностей их изменения, но за счет их существенной модернизации. Опыт показал, что наиболее целесообразным является комплексный подход к автоматизации всего технологического цикла, начиная от получения исходных заготовок до выхода готовых деталей [26,139].
Важнейшим фактором технологической гибкости систем автоматизации является модульный принцип проектирования технических средств с унификацией основных функциональных узлов и устройств (приборы, системы управления, загрузочно-разгрузочные, транспортно-накопительные и другие устройства), и стандартизации оснастки, инструмента, заготовок. Этот метод, помимо увеличения гибкости системы, позволяет существенно повысить надежность технических средств и повысить коэффициент использования оборудования. Потенциальная готовность комплексов к переналадке тесно связывается с автоматизацией процессов управления, проектирования и инженерно-технологической подготовкой производства, и выдвигает на передний план проблему соответствующего математического обеспечения для оперативного решения этого сложного комплекса задач. Такой системный подход к вопросу создания автоматических переналаживаемых производств требует решения целого ряда научно-технических, технологических и организационных проблем, связанных с созданием перепрограммируемых промышленных роботов, встроенных систем активного контроля качества продукции, разработкой средств активной диагностики технологического оборудования, организацией обращения инструмента, оснастки, заготовок и готовой продукции [5].
Серьезной проблемой является обеспечение динамического качества работы РТК, что предполагает соблюдение норм и ограничений на уровень динамических нагрузок, вибраций и ударов, которые практически присутствуют в организации циклических рабочих процессов. В этом плане задача внедрения РТК на определенном этапе требует выбора, расчета и обоснования использования специальных средств обеспечения динамического качества (точности позиционирования, затухания переходных процессов и т.д.), что, в свою очередь, требует разработки математического, алгоритмического и программного обеспечения в решении типовых динамических задач. Анализ тенденций развития РТК, а также наработанный автором практиче ский опыт показывает, что в масштабе РТК (например, штамповки) необхо димо учитывать общность групповой обработки деталей, а именно: накопле ния заготовок в НОУ, их поштучного разделения, захвата исполнительным ор ганом ПР, подачи и съема с позиции штамповки, общность межоперационного транспортирования, контроля и т.д. В этом случае универсальность ПР позво ляет манипулировать любой деталью группы, а вспомогательное манипуляци онное оснащение (околороботная оснастка) проектируется с учетом геометри ческих характеристик для всех деталей, входящих в группу штамповки, с со блюдением условий многократной и быстрой переналадки путем использова ния сменных или регулируемых элементов. Повышенная стоимость такой осна стки оправдывается, т.к. затраты распределяются на все детали, входящие в группу. Опыт показывает, что при создании РТК этот метод является наиболее целесообразным, поскольку позволяет резко сократить прерывистость, прису щую мелкосерийному многономенклатурному производству [39,40,77,147,149,150]. Вместе с тем увеличение номенклатуры деталей ведет к относительному росту потерь времени на переналадку РТК. Целесообразность и быстрота переналадки характеризуются и оцениваются коэффициентом гибкости Кг, который представляет собой отношение затрат времени на переналадку многономенклатурного РТК к эффективному фонду его работы. Накопленный автором опыт разработки и внедрения РТК для многономенклатурного производства позволил определить понятие гибкости и качественной ее оценки по взаимосвязи с такими характеристиками производства как производительность и экономическая эффективность, что позволяет количественно сравнивать различные варианты роботизации [51,119,154].
Методология обследования и анализа объектов автоматизации
Процесс создания РТК обычно осуществляется в два этапа: 1) выбор объектов роботизации с целью определения ее возможности и целесообразности; 2) разработка проекта роботизации. В работах автора [27,56,154] выбор объектов роботизации предложено производить на основе укрупненного обследования и анализа производственных звеньев, которое включает следующие основные направления: сбор данных об обрабатываемых изделиях; сбор данных об оборудовании и технологической оснастке; определение организационных параметров; сбор исходной экономической информации.
В данные об изделиях включают подробный конструкторский и технологиче ский анализ, предварительную номенклатуру изделий для производства в РТК, а также возможность группирования отобранных изделий.
Важнейшим вопросом анализа, который в процессе роботизации является как общим для робототехники в целом, так и специфичным для холодной листовой штамповки - может считаться определение возможности упорядоченной доставки исходного материала в заданную позицию под схват ПР. В этой связи особое место занимают работы, направленные на оценку степени подготовленности заготовок к автоматической загрузке. Оценка заключается в определении объективных количественных и качественных характеристик заготовок, обусловливающих возможностью их автоматической загрузки. Опыт создания РТК указывает, что эти характеристики весьма существенны, поскольку определяют эффективность автоматизации всего производственного процесса. При необходимости, оценка степени подготовленности заготовок к автоматической загрузке дает возможность наметить пути модернизации последних.
Данные об оборудовании и технологической оснастке включают обобщение и анализ следующих характеристик. 1. Характеристики оборудования, определяющие требования к выбору ПР (геометрическим характеристикам их рабочих зон, быстродействию, точности позиционирования исполнительного органа): расположение и размеры рабочей зоны оборудования, и возможность доступа в нее; точность установки заготовки в зоне обработки; способы базирования заготовок; машинное время обработки; габаритные размеры оборудования и его расположение в производственном помещении; ориентировочное число единиц оборудования, обслуживаемых одним ПР. 2. Характеристики оборудования, определяющие возможность его совместной работы с ПР и другими средствами автоматизации в единой системе электроавтоматики, согласованными входными и выходными сигналами. Определяется необходимость и возможность установки датчиков обратной связи, датчиков положений рабочих органов, устройств сигнализации. Анализируется необходимость модернизации или замены оборудования и т.д. 3. Характеристики технологической оснастки, определяющие перечень функций вспомогательного манипуляционного оснащения: способы исходной ориентации, накопления и перемещения заготовок; способы закрепления заготовок в рабочей зоне; способы удаления отходов; нанесения смазки; способы контроля и управления рабочим циклом и другие, необходимость в которых вытекает из технологического процесса. С расширением состава функций, выполняемых ПР, уменьшается влияние дополнительного оснащения на возможность роботизации. Определение организационных параметров производственного звена производится с целью сбора планово-организационной информации: коэффициент сменности работы; тип производства и форма его специализации; основные потоки предметов производства, оснастки и отходов производства. Необходим анализ не только предполагаемого к роботизации комплекса, но и более крупной производственной системы, в которой комплекс является одним из элементов. Анализ такой более общей производственной системы направлен на выявление организационных и технологических связей роботизируемого комплекса со смежными звеньями производства, его роли и значимости в процессе произ водства продукции и выполнения производственной программы. Сбор исходной экономической информации производится для технико-экономического обоснования внедрения ПР и расчетов показателей социально-экономической эффективности от внедрения РТК. Результаты обследования с целью выбора объектов роботизации завершаются этапом принятия решения и являются основой для разработки проектов РТК. Проектирование и разработка РТК ведется поэтапно, согласно предложенному алгоритму (рис. 2.2), который определяет порядок проведения основных этапов работ. Рассмотрим содержание важнейших из них, подробно представленных автором в монографии [42]. 1). Метод группирования заготовок и деталей Из задач начальных этапов проектирования основополагающими для многономенклатурного РТК являются задачи рациональной загрузки и достижения максимального коэффициента использования оборудования. Одним из прогрессивных методов, позволяющих успешно решать эти вопросы в условиях мелкосерийного многономенклатурного производства, является метод групповой обработки деталей. Данный метод может базироваться на различных методах группирования: - по конструктивно-технологическому сходству деталей; - по элементарным поверхностям, позволяющим устанавливать варианты обработки этих поверхностей.
Исследование точности позиционирования ИО ПР
Точность наряду с быстродействием является важнейшей характеристикой ПР, определяющей его качество и эффективность применения. Точность роботов с позиционными и цикловыми системами программного управления в значительной степени определяется точностью позиционирования исполнительного органа, под которой понимается разность между заданным и фактическим положениями схвата робота по окончаний заданного перемещения.
Проблема обеспечения требуемой точности промышленных роботов усугубляется разомкнутостью кинематической структуры робота, приводящей к снижению жесткости конструкции исполнительного органа ПР; изменением моментов инерции ИО, вызванных необходимостью манипулирования деталями различного веса и изменениями положений схвата в процессе движения; наличием электро-, гидро- и пневмоприводов, обладающих существенной колеба-телностью, а также упругостью самих звеньев исполнительного органа вследст-вии значительных длин при малых поперечных размерах [9]. Поэтому не случайно проблеме точности роботов посвящено большое число теоретических и экспериментальных исследований [72,102].
Рассмотрим вопросы точности позиционирования пневматических промышленных роботов с цикловым управлением, которые широко применяются для автоматизации технологических процессов, требующих ограниченного числа точек позиционирования, в частности на операциях холодной штамповки. Отличительной особенностью роботов с пневматическим приводом является то, что для остановки исполнительного органа робота во многих конструкциях используются жесткие упоры. Это дает возможность получить достаточно высокую точность позиционирования и обеспечить значительные скорости перемещений исполнительного органа и, следовательно, более высокую производительность, чем при обычном способе точного останова, например, методом противодавления. Однако при остановке на жестких упорах при перемещении на высоких скоростях и значительных движущихся массах возникают большие ударные и вибрационные нагрузки. Для уменьшения колебаний исполнительного органа снижают скорость движения перед жестким упором, применяя различного рода демпфирующие устройства.
Однако они не всегда обеспечивают регламентированных показателей точности, особенно при изменяющихся условиях эксплуатации. Кроме того, приводимая в паспортных данных точность позиционирования соответствует статической ошибке исполнительного органа, определяемой после затухания переходных процессов, вызванных его остановкой, без учета динамических явлений. Однако большой практический интерес представляет оценка не статических, а динамических ошибок, обусловленных упругими колебаниями исполнительного органа непосредственно после окончания перемещения, поскольку эти колебания, во-первых, ухудшают точность установки деталей, вызывают износ исполнительных элементов роботов, приводят к повреждению хрупких деталей, ограничивая тем самим область использования роботов, во-вторых, уменьшает производительность робота, так как в этом случае приходится увеличивать длительность позиционирования для затухания колебательных процессов. Необходимость исследований колебательных процессов обусловлена также тем обстоятельством, что максимальные значения скоростей, обычно приводимые в паспортных данных промышленных роботов, еще не дают возможности судить о его быстродействии. Причем приводимые данные о точности позиционирования не связываются с величинами скоростей движения исполнительного органа и с нагрузками на схвате, хотя, как указывает многие исследователи [102], изменения последних существенно влияют на точность позиционирования. Указанные обстоятельства затрудняют эффективное применение ПР.
Экспериментальная установка по исследованию точности ПР-10. Поэтому была проведена количественная оценка колебательных процессов исполнительных органов промышленных роботов типа ПР-10 при различных условиях эксплуатации. Общий вид экспериментальной установки исследования точности робота ПР-10 приведен на рис.3.7. Пневматический робот ПР-10 имеет четыре степени свободы, движения по которым совершаются от упора до упора. Торможение осуществляется пневматическими и гидравлическими демпферами. Точность позиционирования ±0,1 мм [64].
Основной проблемой, с которой приходится сталкиваться при экспериментальных исследованиях динамических процессов, является выбор и применение способа измерения и фиксации динамических параметров исследуемой системы. Учитывая незначительные величины измеряемых перемещений, для проведения экспериментальных исследований был использован тензометриче-ский метод, обладающий высокой точностью и простотой.
Абсолютные отклонения охвата робота при остановке на упоре регистрировались тензометрическими датчиками, наклеенными на упругие стальные линейки, закрепленные на столе пресса в месте остановки исполнительного органа. Показания тензодатчиков усиливались в четырехканальном тензометриче-ском усилителе ТА-5 и подавались в осциллограф Н-700, где фиксировались на фотопленке. Время процессов регистрировалось отметчиком времени осциллографа. Деформация линеек при остановках исполнительного органа осуществлялась кронштейном, закрепленным на руке робота. Положение тензометри-ческих линеек по каждой из проверяемых координат выбиралось перпендикулярным к оси кронштейна.
Измерения проводились по двум координатам, соответствующим горизонтальному перемещению и повороту исполнительного органа при различных массах перемещаемых грузов и скоростях движения. Данные координаты наиболее важны в техническом плане, так как определяют точность взятия и установки заготовок, например, при штамповке. Скорость движения исполнительного органа регулировалась дросселями.
На рис.3.8 приведены графики зависимости максимальных отклонений исполнительного органа при изменении нагрузок на схвате и различных скоростях движения по той же координате. Анализ этих кривых показывает, что влияние изменений нагрузки на величину погрешности позиционирования менее значительно, чем влияние изменений скоростей движения.
Методика выбора и алгоритмы управления электропривода модульного накопительно-ориентирующего устройства
В настоящее время, одним из путей повышения быстродействия, динамической точности и уменьшения энергоемкости является использование для построения приводов манипуляционной оснастки свойств колебательных систем, в частности создание приводов с аккумуляторами механической энергии (резонансных приводов, приводов с рекуперацией энергии) [3,13,69,70]. В таких системах наряду с двигателем (или вместо него) для разгона - торможения инерционных масс используется аккумуляторы механической энергии (АМЭ), на что в традиционной системе затрачивается основная мощность. Это позволяет значительно снизить требуемую мощность привода и увеличить быстродействие. Так как законы движения при этом напоминает колебательный процесс, в котором отсутствуют резкие скачки ускорений, то в системах работающих в авторезонансных режимах не генерируются значительные упругие колебания исполнительных органов, что способствует повышению их динамической точности.
На примере простейших роботов с цикловой системой управления эти приводы доказали свои преимущества по сравнению с существующими. Приводы подобного типа могут найти широкое применение в манипуляционной оснастке на участках холодной штамповки. Промышленные роботы и модульная манипуляционная оснастка с простыми кинематическими схемами являются хорошим полигоном для исследования и внедрения подобных приводов, характеризующихся высокими скоростями движения
По принципу действия, расчетным и конструктивным схемам подобные приводы относятся к механическим системам с переменной структурой, т.к. подключение к приводу, совершающему возвратно-вращательные или возвратно-поступательные движения аккумулятора механической энергии производится релейно, по координатам состояния объекта управления, а АМЭ представляет собой колебательный контур, с возможностью запасать и отдавать в систему энергию в потенциальной форме.
Если рассматривать цикл движения простейшего робота или манипуля-ционной вспомогательной оснастки, как период колебательного процесса, исключив предварительно время простоя и время движения с постоянной скоростью, то очевидна полная аналогия расчетных моделей и принципов функционирования резонансного привода с упругими механическими системами переменной структуры [29,45].
Производительность промышленных роботов в большинстве областей их применения, в частности, в операциях штамповки определяется быстродействием их приводов. Резервы повышения быстродействия существующих в настоящее время традиционных приводов практически исчерпаны (дальнейшее повышение скоростей влечет за собой резкое увеличение масс и габаритов двигателей, а также ужесточение требований к жесткостным и энергопоглощаю-щим характеристикам демпферов и упоров). В последнее время все более широкое распространение получает другой путь организации привода, основанный на использовании свойств колебательных систем. В таких системах энергия, затрачиваемая на разгон инерционной массы, не уходит в тепло, а из кинетической переходит в потенциальную.
В [3,13,69] обоснованы преимущества и разработаны основные принципы построения приводов с использованием аккумуляторов механической энергии применительно к роботам с цикловым управлением. Предложен ряд конструктивных исполнений многопозиционных приводов. Эксперименты подтвердили преимущества системы с рекуперацией энергии перед системами, построенными по традиционной схеме, как по критерию быстродействия, так и по потребляемой мощности. По сравнению с традиционными конструкциями цикловых роботов рассмотренные технические решения позволяют ориентировочно повысить быстродействие в 2 - 3 раза при одновременном уменьшении мощности привода в 3-5 раз.
Очевидные положительные качества промышленных роботов с цикловым управлением и рекуперацией механической энергии стимулируют попытки оснастить более сложные промышленные роботы, а именно с позиционным управлением, аккумуляторами энергии [70,91]. При этом возникают такие проблемы как: обеспечение точности отработки программных значений обобщенных координат; обеспечение простого соединения рекуператоров с кинематическими цепями приводов; упрощение подзарядки аккумуляторов.
Одним из вариантов технического решения проблемы является предлагаемая конструкция промышленного робота с позиционным управлением, кинематическая схема которого в двуруком исполнении изображена на рис.5.1. В данном ПР, который может эффективно использоваться на операциях штамповки, резонансным является привод поворота, при этом руки работают синхронно, а угол поворота между ними может регулироваться.
