Содержание к диссертации
Введение
ГЛАВА 1. Анализ состояния проблемы
1.1. Анализ области и особенностей применения промышленных роботов для контактной точечной сварки 11
1.2. Разработка технических требований, предъявляемых к информационно-измерительным и управляющим системам промышленных роботов для контактной точечной сварки 41
1.3. Анализ недостатков существующих информационно-измерительных и управляющих систем промышленных роботов для контактной точечной сварки 44
1.4. Постановка цели и задач исследования 45
Выводы 45
ГЛАВА 2. Анализ показателей качества информационно-измерительных и управляющих систем промышленных роботов для контактной точечной сварки
2.1. Разработка математических моделей электроприводов постоянного и переменного тока 46
2.2. Анализ режимов работы измерительных и управляющих систем промышленных роботов для контактной точечной сварки .85
2.3. Анализ показателей качества электроприводов промышленных роботов для контактной точечной сварки .86
Выводы .89
ГЛАВА 3. Синтез корректирующих устройств информационно-измерительных и управляющих систем промышленных роботов для контактной точечной сварки
3.1. Анализ методов синтеза корректирующих устройств электроприводов промышленных роботов для контактной точечной сварки ЭП ПР КТС 90
3.2. Синтез корректирующих устройств ЭП ПР КТС, обеспечивающих максимальное быстродействие 91
Выводы .104
ГЛАВА 4. Экспериментальные исследования информационно-измерительных и управляющих систем промышленных роботов для контактной точечной сварки
4.1. Разработка методики определения технических характеристик измерительных и управляющих систем в составе промышленных роботов для контактной точечной сварки 105
4.2. Экспериментальное исследование технических характеристик разработанных ИИУС ПР РПКСМ .110
Выводы .114
Основные результаты работы .115
Список литературы
- Разработка технических требований, предъявляемых к информационно-измерительным и управляющим системам промышленных роботов для контактной точечной сварки
- Анализ режимов работы измерительных и управляющих систем промышленных роботов для контактной точечной сварки
- Синтез корректирующих устройств ЭП ПР КТС, обеспечивающих максимальное быстродействие
- Экспериментальное исследование технических характеристик разработанных ИИУС ПР РПКСМ
Разработка технических требований, предъявляемых к информационно-измерительным и управляющим системам промышленных роботов для контактной точечной сварки
Впервые способ точечной сварки был предложен русским изобретателем Н. Н. Бенардосом. Точечную сварку применяют для соединений внахлестку, осуществляемых в отдельных местах детали в виде точек (рисунок 1.1.1) [1]. Рисунок 1.1.1. Типовые детали для точечной сварки: приварка точками сортового железа к плоским листам Зажатые между медными электродами свариваемые листы разогреваются под электродами так, что центральная часть точки, обычно доводимая до расплавления за счет тепла, выделяемого в контакте между свариваемыми листами, образует литое ядро точки. Давление, приложенное к электродам, уплотняет металл в точке и делает ее достаточно прочной. Сварочный ток включают только после того, как к электродам приложено необходимое давление. После окончания сварки сначала выключают ток, а затем снимают давление.
Точечную сварку применяют для соединения различного рода изделий из штампованных и прокатанных профилей сортового железа малой толщины с листами, для приварки круглых стержней друг к другу и к листам и т. д. [2]. Точечной сваркой можно соединять два или несколько листов одновременно. Точечную сварку осуществляют также и при приложении электродов с одной стороны свариваемой детали (односторонняя сварка). В последнем случае число деталей не может быть больше двух.
Выбор режима точечной сварки при заданной суммарной толщине листов определяется [3]: а) мощностью машины; б) длительностью нагрева; в) давлением между электродами во время и после нагрева. Мощность машины W для точечной сварки зависит от толщины свариваемых изделий и выбирается по следующему соотношению: W=KS (кВт), где S — суммарная толщина листов в мм; К — коэффициент, равный: - для сварки малоуглеродистой и низколегированных сталей 8—14, - для сварки нержавеющей стали и низколегированных сталей 25—40, - для сварки алюминиевых сплавов на машинах большой мощности 100—150, - на машинах малой мощности 20—25.
Время нагрева или прохождения сварочного тока изменяется в больших пределах (от десятков до тысячных долей секунды) и зависит от мощности машины и условий сварки.
При сварке сталей, склонных к закалке и образованию трещин, время нагрева увеличивают, с тем, чтобы замедлить последующее охлаждение металла (например, углеродистые стали). Сварку нержавеющих аустенитных сталей производят, наоборот, с возможно меньшей длительностью нагрева из-за опасности нагреть наружную поверхность точки до температуры структурных превращений и тем самым нарушить высокие антикоррозионные свойства наружных слоев металла [4].
Величина давления между электродами должна обеспечивать хороший контакт изделий в месте сварки. Она зависит от толщины свариваемых изделий и от рода свариваемого металла: обычно давление изменяется в пределах от 20 до 120 МПа. Особое значение имеет давление после нагрева. При соответствующей величине этого давления структура металла в месте сварки получается мелкозернистой и прочность точки приближается к прочности основного металла.
Увязка величины давления во времени с длительностью нагрева в основном определяет прочность сварного соединения.
Существует несколько вариантов с различным соотношением величины давления в разные моменты сварки. Наиболее правильными из них являются те, в которых давление к моменту прекращения нагрева повышается [5]. На качество сварки влияет также и правильный выбор диаметра медного электрода. Диаметр сварной точки зависит от диаметра конца электрода. Необходимо, чтобы диаметр сварной точки был в 2—3 раза больше толщины наиболее тонкого элемента сварного соединения. Расстояние между сварными точками следует выбирать так, чтобы уменьшить шунтирование тока через соседние точки.
Так, в случае сварки двух деталей при толщине каждой от 1 до 8 мм расстояние между точками соответственно изменяется от 15 до 60 мм, а при сварке трех деталей — от 20 до 100 мм. Электроды для точечной сварки должны обеспечивать высокую электро - и теплопроводность, прочность при рабочей температуре, а также легкость механической обработки [6].
Материалами, отвечающими этим требованиям, являются холоднокатанная электролитическая медь, специальные бронзы с присадкой кобальта или кадмия, медные сплавы с присадкой хрома и сплава на вольфрамовой основе.
Медь значительно превосходит эти бронзы и сплавы по своей электро-и теплопроводности, но в 5—7 раз уступает им в отношении стойкости против износа.
Поэтому наилучшим из этих сплавов, мало уступающим меди по своим теплофизическим свойствам, но превосходящим ее по прочности, является сплав типа ЭВ, представляющий собой почти чистую медь с добавкой 0,7% хрома и 0,4% цинка.
Для уменьшения износа электроды большей частью интенсивно охлаждают водой. Электроды целесообразно изготовлять со сменными наконечниками из износостойких сплавов [7].
Машины для точечной сварки делятся на: - автоматические; - неавтоматические. В неавтоматических машинах включение тока и сжатие электродов производят нажатием ноги на педаль. Автоматические машины имеют моторный, пневматический или гидравлический механизм сжатия электродов. Включение и выключение тока в этих машинах происходит при помощи специальных механических, электромагнитных или ионных прерывателей. Современные автоматические машины для точечной сварки позволяют сваривать до 100 точек в минуту.
Анализ режимов работы измерительных и управляющих систем промышленных роботов для контактной точечной сварки
Совокупность таких пунктов, определяет траекторию самостоятельного движения робота. Каждый пункт имеет определенное количество изменяемых параметров, скорость движения и углового вращения, точность, конфигурацию осей.
При методе Playback робот посредством человека, в ручную, обводится по траектории предполагаемого движения, которая в последствии в точности повторяется роботом.
Этот метод часто применяется при программирование роботов для лакирования и покраски.
К недостаткам Online - программирования относится то, что во время программирования, не может быть речи о производственном процессе. Такое программирование не обеспечивает высокой точности обработки и конечно не очень удобно для каких-либо изменений. Offline программирование производится на обыкновенном компьютере; без непосредственного участия робота. Тем самым дает возможность программирования робота без остановки производственного процесса.
Текстовое программирование (описание течения программы языком программирования). Это, по сути дела, написание логики программы (последовательность траекторий, опрос периферийных устройств, коммуникация с обслуживающим персоналом и конечно техника безопасности).
Изготовленная таким образом программа загружается тем или иным способом (дискета или сетевое соединение) в контроллер робота, проходит тест на ошибки, программа корректируется и в принципе готова к использованию.
Для оценки актуальности внедрения робота в процесс обработки приведем ряд преимуществ применения робототехники на предприятии [48]: 1. Производительность. При применении робота производительность обычно повышается. Прежде всего, это связано с более быстрым перемещением и позиционированием в процессе обработки, также играет роль и такой фактор, как возможность автоматической работы 24 часа в сутки без перерывов и простоев.
В случае правильно выбранного применения роботизированной системы, производительность по сравнению с ручным производством возрастает в разы и даже на порядок.
Следует отметить, что при широкой номенклатуре изделий, постоянных переналадках, необходимости большого количества периферийного оборудования для разных деталей производительность может и снижаться, делая процесс неэффективным и сложным.
2. Улучшение экономических показателей. Заменяя человека, робот эффективно снижает затраты на оплату специалистов. Особенно данный фактор важен в экономически развитых странах с высокими заработными платами рабочих и необходимостью больших надбавок за переработку, ночное время и т.д.
В случае применения робота или автоматизированной системы, в цехе необходимо лишь наличие оператора, контролирующего процесс, при этом оператор может контролировать сразу несколько систем.
При первоначальной закупке роботизированная ячейка - достаточно серьезное финансовое вложение и предприятие заинтересовано в его быстрой окупаемости. Неправильное применение оборудования и ошибки в его комплектации и расстановки могут привести к увеличению времени обработки либо трудоемкости работы, тем самым снизить экономичность производства.
3. Качество обработки. Частой причиной внедрения технологической системы на базе промышленного робота становится необходимость обеспечения заданного в документации на изделие качества обработки.
Высокая точность позиционирования промышленных роботов (0,1… 0,05 мм) и повторяемость обеспечивают надлежащее качество изделия и устраняют возможность производственного брака.
Исключение человеческого фактора приводит к минимизации рабочих ошибок и сохранению постоянной повторяемости всей производственной программы.
4. Безопасность.
Применение робота достаточно эффективно на вредном производстве, оказывающем неблагоприятное воздействие на человека, например, сварочных процессах и т.д.
В случаях, когда применение ручного труда ограничивается законодательством, внедрение робота может являться единственным решением.
При работе в цехе периметр рабочей зоны ограждается различными устройствами для предотвращения проникновения человека в зону действия робота. Наличие защитных систем является главным и неотъемлемым условием безопасной работы роботизированных систем по всему миру.
5. Минимизация рабочего пространства.
Правильно скомплектованная ячейка на базе промышленного робота более компактна, чем рабочая зона для выполнения ручных работ. Это достигается более эргономичной конструкцией сборочных кондукторов, небольшим размером места, занимаемого роботом, возможностью его размещения в подвешенном состоянии и т.д.
Синтез корректирующих устройств ЭП ПР КТС, обеспечивающих максимальное быстродействие
В фазовом режиме обмотки статора запитываются равными по амплитуде, но сдвинутыми по фазе на 90 напряжениями, тогда амплитуда напряжения на обмотке ротора остается неизменной, а фаза сдвинута относительно питающего напряжения на угол ра. Таким образом, задача измерения угла сводится к измерению разности фаз двух напряжений. В электроприводах индуктосин может работать, как и вращающийся трансформатор в амплитудном и фазовом режимах. Однако его чаще используют в фазовом режиме. Фотоэлектрические датчики обратной связи являются наиболее перспективными для ГАП. Наиболее широко в настоящее время применяются растровые фотоэлектрические датчики.
Основой растрового фотоэлектрического датчика служит короткая и длинная линейки с нанесенными на них шкалами.
На короткой (индикаторной) линейке нанесены четыре группы штрихов со смещением шага на 1/4 шага шкалы, что обеспечивает, как указывалось выше, повышение точности датчика, уменьшение дискретности информационного сигнала и возможность определения направления перемещения.
При взаимном перемещении короткой и длинной линейки происходит модуляция светового по тока светодиодов, который воспринимается фотоприемниками.
В качестве фотоприемников используются фотодиоды или фототранзисторы.
Попарное включение фотоприемников в разностную схему обеспечивает два выходных сигнала - синусный и косинусный, смещенные на 1/4 шага шкалы. Электронный преобразователь (встроенный в корпус датчика) формирует в точках наибольшей крутизны выходного сигнала (нуль-фаза синусоиды) прямоугольные импульсы, цена которых определяется шагом шкалы, а величина перемещения - числом импульсов.
Шкалы обычно выполняются с 50 штрихами на 1 мм длины - для высокоточных измерений шаг составляет 0,05...0,01 мм, что не обеспечивает требуемую выходную дискретность датчика.
По такому принципу работают и угловые фотодатчики. При этом в угловых фотодатчиках необходимо обеспечить стыковку вала датчика с подвижным элементом станка с неясностью порядка 0,1 мм, что обеспечивается сильфонными или мембранными муфтами. Применение в угловых датчиках четырех съемников обеспечивает помимо указанных преимуществ также уменьшение влияния эксцентриситета установки измерительного растра при попарном расположении их через 180 по окружности. Шаг нарезки шкалы не должен быть менее десятков микрометров, в противном случае картина растрового сопряжения теряет четкость, так как в этом случае увеличивается влияние перекоса штрихов и как следствие этого искажается форма выходного сигнала. Вместе с тем увеличение шага шкалы увеличивает цену импульса датчика, а значит и его, погрешность дискретности и ухудшает динамические свойства.
Погрешность датчика в основном определяется погрешностью нанесения шага шкалы и правильностью формы выходного сигнала, так как этим определяется погрешность внутришагового деления.
Следует отметить, что в прецизионных датчиках эти погрешности соизмеримы. Современное оборудование, технология и условия эксплуатации позволяют обеспечить погрешность до 1 мкм/м для линейных датчиков и 1 угл.с/оборот для круговых, что позволяет создавать преобразователи 5-6 квалитетов точности и выше. Следует также указать, что одновременное участие в формировании выходного сигнала нескольких штрихов шкалы в значительной степени снижает влияние погрешности нанесения шага шкалы.
Повышение точности растровых датчиков обеспечивают не только традиционными методами, описанными выше, но и за счет применения одного источника светового потока для всех фотоприемников, что повышает эффективность разностной схемы преобразования сигналов, так как в большей степени обеспечивает идентичность съемников.
Следует добавить, что растровые датчики, как правило, имеют еще один канал съема информации - канал начала отсчет
Ввиду относительной простоты конструкции, компактности и. надежности растровых датчиков перемещения они получили наиболее широкое распространение как у нас в стране, так и за рубежом.
Дополнительные преимущества растровых датчиков заключаются в том, что помимо пропускающих стеклянных решеток в них можно применять и отражающие металлические шкалы, что повышает надежность шкал и облегчает условия их базирования.
Существенным для отражающих шкал является и то, что применение в этом случае проекционной системы с оптическим увеличением позволяет изготовлять короткую линейку с более крупным шагом, чем шаг длинной линейки, что повышает точность отсчета без ухудшения дискретности.
Недостатком отражающих шкал является не только усложнение конструкции датчиков за счет применения проекционной системы, но и сложность за счет большего шага короткой линейки обеспечения эффекта усреднения, что снижает точность датчика.
Экспериментальное исследование технических характеристик разработанных ИИУС ПР РПКСМ
Как отмечалось выше, основными техническими характеристиками ИИУС ПР КТС являются быстродействие (определяемое временем переходного процесса) и точность (определяемая максимальной погрешностью).
Все эти характеристики относятся к составляющим ИИУС ПР КТС, которые определяются до установки на конкретную технологическую машину с помощью достаточно простых стендов, аналогичных представленному ниже.
Оценка адекватности компьютерной модели проводилась методом натурных экспериментов, для чего был разработан специальный стенд. Основная задача стенда заключается в имитации различных механических нагрузок и исследовании характеристик регулируемого электропривода на базе ЭД, на который они воздействуют.
В функциональные возможности стенда входит имитация следующих типовых нагрузок: активной, типа «сухое трение», типа «вязкое трение».
Также предусмотрена возможность задания программируемой нагрузки с персонального компьютера.
Стенд позволяет получать информацию в графическом виде в реальном времени об электрических и механических координатах испытуемого ЭД и нагрузочной электрической машины, создающей статический момент нагрузки на его валу.
Данные, полученные в ходе его работы, дают возможность оценить показатели качества регулирования механических координат электропривода и переменные потери энергии в ЭД, зависящие от нагрузки на валу.
Конструктивно стенд представляет собой две электрические машины, одна из которых является испытуемым ЭД, другая – машиной постоянного тока (МПТ), выполняющая функцию нагружающего устройства для ЭД, как это показано на рисунке 4.1.1.
Электрические машины соединены жесткой механической связью, снабжены комплектом необходимых датчиков, индивидуальными системами управления и блоком защит.
С ПК организовывается вывод информации о текущих показателях измеряемых координат асинхронного электропривода и нагрузочной машины в графическом виде, также Пользователь имеет возможность задания с ПК программно изменяемого статического момента нагрузки.
Принцип работы стенда основан на способе формирования момента нагрузки на валу ЭД при помощи регулирования тока якоря МПТ путем ввода нагрузочного сопротивления.
Таким образом, имитация всех требуемых режимов работы в стенде реализована комбинацией МПТ режимов динамического торможения и противовключения.
Проверка основных технических характеристик и наладка ПР КТС является достаточно сложной задачей, требующей высокой квалификации исполнителей. Этот этап выполняется в соответствии с соответствующими техническими условиями. Он заключается в выполнении необходимых сборочных операций и подведении к ПР КТС соответствующего питающего напряжения.
Автономная наладка и регулировка компонентов ПР КТС.
В дополнение к общим требованиям, изложенным в соответствующих технических условиях необходимо: - проверить соответствующее напряжение питания в ПР КТС – оно должно соответствовать техническим условиям; - проверить соответствующие напряжения несилового питания - они должны соответствовать техническим условиям. Этап 3. Попарная наладка и регулировка компонентов ПР КТС В дополнение к общим требованиям, изложенным в соответствующих технических условиях необходимо: - проверить правильность подключения тахогенераторов, для чего подать поочередно напряжение величиной 0,1 В на входы регуляторов скорости соответствующих электроприводов. Увеличивая его убедиться в соответствующем увеличении скорости перемещения соответствующей степени подвижности ПР КТС; - проверить срабатывание аварийных концевых выключателей, для чего необходимо подав поочередно напряжение величиной 0,1 В на входы регуляторов скорости соответствующих электроприводов.
Убедиться в появлении соответствующих сигналов при достижении соответствующей степени подвижности аварийной зоны.
Комплексная наладка и регулировка компонентов ПР КТС. В дополнение к общим требованиям, изложенным в соответствующих технических условиях необходимо: - записав произвольную точку в пространстве по каждой одной степени подвижности ПР КТС (с учетом максимального приведенного момента инерции нагрузки), добиться чтобы в автоматическом режиме движение происходило с обеих сторон с одинаковой скоростью без перебегов и дрожаний. Качество регулируется подстройкой длины первого линейного участка статической характеристики соответствующего регулятора положения, при невозможности этого добиться увеличивать пропорциональную составляющую регулятора скорости; - записав произвольную точку в пространстве по каждой одной степени подвижности ПР КТС (с учетом максимального приведенного момента инерции нагрузки), добиться чтобы в автоматическом режиме после отработки перемещения статическая погрешность на выходе соответствующего регулятора положения не превышала 5 мВ. Погрешность регулируется подстройкой коэффициента усиления соответствующего регулятора положения); - записав последовательно по две произвольные точки в пространстве по всем степеням подвижности ПР КТС, отрегулировать величину корректирующего сигнала таким образом, чтобы при максимальном быстродействии зафиксировать в автоматическом режиме после их отработки отсутствие перерегулирования.
