Расширение технологических возможностей промышленных роботов методом «очувствления» захватного устройства
Одним из эффективных путей расширения технологических возможностей роботов первого поколения является оснащение их тактильными датчиками, встраиваемыми в захватное устройство – иначе «очувствление». Тогда они приближаются по своим технологическим возможностям к адаптивным роботам, использующим «сенсорное» управление в зависимости от состояния объекта манипулирования и окружающей среды.
Конструкция захватного разработанного нами /22/ устройства робота (продольный разрез) с тензометрическими датчиками приведена на рис. 3.12 в виде продольного разреза. Захватное устройство предназначено для измерения фактических диаметров деталей, прошедших обработку на станке и снимаемых промышленным роботом.
Кроме того, этим же устройством возможно определение массы готовых деталей, что может служить косвенным контролем выполнения технологического процесса.
Так, если масса детали превышает заданную величину, то обработка прошла не в полном объеме, и требуется вмешательство наладчика для установления причины. Таким образом, создаются предпосылки автоматизации контрольных операций, ранее выполнявшихся вручную.
1 – рычаг; 2 – губка призматическая; 3 – микровыключатель; 4 – упор; 5 – тензодатчик; 6 – упругая балочка; 7 – наконечник; 8 – ролик; 9 – конус штока; 10 – пружина растяжения; 11 – рука промышленного робота
Рис. 3.12. Захватное устройство робота с элементами «очувствления»
Захватное устройство включает шарнирные рычаги 1, на которых закреплены базирующие переносимую деталь зажимные призматические губки 2. Одна из губок оснащена конечным микровыключателем 3, сигнализирующим об отсутствии детали при срабатывании захвата. Вторая губка снабжена упором 4, который предотвращает поломку микровыключателя, который является датчиком наличия детали и служит для повышения общей надёжности работы комплекса. Тактильный датчик выполнен в виде двух тензодатчиков (тензорезисторов) 5, наклеенных с двух сторон упругой балочки 6. Она снабжена рабочим наконечником 7, взаимодействующим с захватываемой деталью. Сама балочка выполнена из хорошо закаленной стали, тщательно отшлифована и консольно закреплена с правой стороны призматической губки.
Кроме того, на концах рычагов предусмотрены ролики 8, сопряженные с конусом 9, выполненным на штоке приводного пневмоцилиндра. Имеется также пружина возврата 10. Весь захват крепится на фланце руки 11 промышленного робота.
Порядок срабатывания устройства при захвате деталей ясен из рисунка. Это действие выполняется в процессе переноса роботом готовой детали со станка либо при сортировке уже готовых деталей, находящихся в магазине-накопителе.
Измерение фактического диаметра детали основано на свойстве изменения электрического сопротивления проводника тензодатчика (проволочного тензорезистора) при изменении его длины. Последнее обусловлено прогибом упругой балочки в ту или иную сторону в зависимости от отклонения диаметра измеряемой детали в большую или меньшую сторону по отношению к диаметру эталонной детали, использующейся при начальной настройке захватного устройства.
Например, при прогибе балочки вверх датчик, наклеенный на ее верхней плоскости, будет деформироваться на сжатие, т.е. длина его проводника, выполненного из тонкой проволочки, уменьшится. Нижний датчик, наоборот, деформируется на растяжение, что приводит к увеличению длины его проводника. Далее получают зависимость деформации от отклонения диаметрального размера вала (обработанной детали), приведенную в формуле (3.42). Считают при этом, что отклонение вала представляет собой разность фактического размера вала DВ (1) и размера эталонной оправки, по которой производилась балансировка полумостовой схемы измерения при наладке робота DВ (2).
Таким образом, можно считать:
(3.41)
. (3.42)
Основными характеристиками тензодатчика являются база (дина), которая бывает 5, 10, 15, 20 и 25 мм, а также электрическое сопротивление (R). Для повышения чувствительности системы тензодатчики наклеиваются с двух сторон балочки и включаются по полумостовой схеме.
При работе устройства происходит деформирование тензобалочки. Направление прогиба зависит от размера детали.
В любом случае один из тензодатчиков будет сжиматься, и его длина L уменьшится, а другой тензодатчик, наоборот, удлинится вместе с поверхностью балочки, на которую он приклеен.
В результате получается разность длин проводников тензодатчиков, что равносильно появлению сигнала рассогласования, который, после усиления, используется в качестве управляющего воздействия в системе управления. Электрическое сопротивление тензорезистора определяется по общеизвестной формуле:
, (3.43)
Его изменения пропорциональны приращению (уменьшению или увеличению) длины проводника при деформировании его вместе с тензобалочкой:
, (3.44)
где К – удельное электрическое сопротивление, зависящее от материала, из которого выполнен проводник тензодатчика;
L – длина проводника тензодатчика,
S – площадь поперечного сечения проводника. В условиях настоящей схемы измерения площадь поперечного сечения считается неизменной.
Электрический управляющий сигнал в виде электрического напряжения, снимаемый с тензорезисторов, в виде разности напряжений в дальнейшем усиливается и поступает на вход системы управления промышленного робота. Там он анализируется и сравнивается с эталонным значением, которое задано по эталонной детали, на основании значения приращения электрического сопротивления датчика (положительного или отрицательно), пропорционального деформации датчиков, и, соответственно, фактическому диаметру обработанной детали.
Если значение приращения оказывается больше допустимого, то это говорит о поступлении бракованной детали. Полученные данные могут быть использованы для отбраковки негодных деталей роботом, чем и обеспечивается автоматизированный контроль.
После измерения диаметра робот адресует деталь, укладывая её в нужное гнездо накопителя. Выполнение роботом указанной, достаточно сложной операции, позволяет более полно автоматизировать производственный процесс.
4. ПРОИЗВОДСТВЕННОЕ ИСПОЛЬЗОВАНИЕ ПРОМЫШЛЕННЫХ
РОБОТОВ И РОБОТИЗИРОВАННЫХ КОМПЛЕКСОВ НА ИХ ОСНОВЕ
Примеры практического использования промышленных роботов в технологических целях
Применение промышленных роботов редко происходит в виде отдельной автономной единицы (самого робота). Как правило, создается робототехнический комплекс (РТК), включающий в себя целый ряд составляющих: технологическое оборудование, обслуживаемое роботом, комплект средств оснащении, питатели заготовками, накопители, комплект рабочего инструмента и т. п. Это сложная задача, которая должна базироваться на анализе особенностей действующего производства.
При таком анализе необходимо установить следующие параметры: тип производства (массовое, крупносерийное, серийное, мелкосерийное); организация производства (поточное, непоточное); характер перемещения деталей по технологическому процессу (непрерывный, прерывистый); специфические особенности данного производства (наличие вредных условий труда, обработка специальных материалов и др.).
В результате анализа указанных параметров определяют: номенклатуру деталей, обработка которых может быть осуществлена с применением ПР; характеристики деталей и вид заготовок; неиспользованные резервы и узкие места производственного процесса; потери, возникающие вследствие технических и организационных недостатков; состав основного технологического оборудования и рекомендации по его модернизации или замене; специфические особенности действующего производственного процесса, от которых зависит повышение его эффективности; пути изменения организационной структуры производства; усовершенствования технологического процесса обработки, автоматизации отдельных операций; средства механизации и автоматизации труда, повышающие производительность, в том числе путем применения промышленных роботов.
После чего, технолог, курирующий проект по роботизации производства, в соответствии с технологическим процессом данного РТК составляет алгоритм управления промышленным роботом, который включает в себя последовательность действия его в процессе обслуживания оборудования или при выполнении основной технологической операции.
Некоторые требования и условия эксплуатации промышленных роботов. Опыт эксплуатации таких роботов подтверждает, что их неисправности чаще выражаются в виде появления отказов, которые обусловлены либо потерей точности позиционирования при установке заготовок или деталей, что связано с нарушением динамики перемещений захватов по степеням подвижности, либо к прекращению автоматической работы.
Причинами потери точности позиционирования при перемещениях манипулятора также являются утечка масла из полостей гидродемпферов и стравливание сжатого воздуха в результате неправильной регулировки. Надежность функционирования робота, имеющего пневматический привод, во многом зависит от качества сжатого воздуха, используемого как рабочее тело. Подводимый к манипулятору воздух должен быть очищен от пыли и влаги, присутствующей в виде конденсата.
Диагностирование работоспособности РТК позволяет предотвратить возникновение аварийных ситуаций. Для этого их оснащают развитой информационной системой, включающей в себя датчики различных типов, регистрирующие давление в гидро- и пневмосетях, уровни питающих напряжений, положение управляемых координат технологического оборудования, режимы обработки и работоспособность системы управления. Дискретные сигналы датчиков (постоянного тока напряжением 24 В) поступают на пульт оператора, имеющий развитую систему индикации, которая позволяет ему быстро находить и устранять неисправности.
 а |  б |
 в |  г |
 д |  е |
Рис. 4.1. Примеры применения промышленных роботов: а – обработка криволинейного паза в деревянной детали с использованием кругового интерполятора; б – разметка, гравирование и раскрой рулонных материалов; в – работа с массивными деталями; г – электродуговая сварка (роботt ARC Mate 100iBe/120iBe); д – покраска и нанесение защитных покрытий на корпус автомобиля; е – робот, обслуживающий токарный станок с ЧПУ (спереди видны кассеты-накопители для заготовок и готовых деталей)
 а |  б |
 в |  г |
 д |  е |
Рис. 4.2. Примеры применения промышленных роботов (продолжение): а – полирование корпуса гитары со стороны нижней деки; б – фрезерование крупногабаритных деталей из неметаллических материалов; в – опытная модель робота в лаборатории; г – совместная работа двух роботов с агрессивными жидкостями; д – конвейерная сборка изделия; е –интеллектуальный робот за отработкой задачи «распознавания образов»
 а |  б |
 в |
Рис. 4.3. Примеры применения промышленных роботов (продолжение): а – конвейерная сборка кузовов автомобилей методом точечной сварки; б – рабочая позиция роботизированной стапельной сборки автомобиля; в – фрагмент деревообрабатывающего производства, в котором роботы оснащены специальными технологическими устройствами
Для робототехнического комплекса обязательно наличие ограждения. Расчет размеров ограждения производится с учетом необходимых расстояний между стационарными ограждениями и границей рабочей зоны и рабочего пространства робота и технологическим оборудованием для удобного и безопасного выполнения операций программирования, обучения, ремонта и наладки робота. При этом должны учитываться система координат, тип и размеры рабочей зоны, количество роботов, а также антропометрические данные и рабочая поза оператора при выполнении операции по обслуживанию основного технологического оборудования.
При срабатывании устройства аварийной остановки должно прекратиться любые движения робота независимо от режима его работы, как это предусмотрено при конструировании любых моделей.
Техническая характеристика промышленного робота и содержащаяся в ней информация. Большое значение имеет техническая характеристика промышленного робота, особенно при обосновании выбора его модели. Какого же рода информация содержится в ней?
В качестве примера рассмотрим техническую характеристику промышленного робота с пневматическим приводом и цикловой системой управления, использующей прямоугольную систему координат – типичного представителя роботов 1-го поколения модели «РИТМ-05».
Достоинствами этой модели являются: простота программирования, наличие двух манипуляторов (рук), простота конструкции пневматической приводной системы; большая скорость перемещения рук, обеспечивающая достаточно высокую производительность робота при выполнении различных действий; отсутствие трубопроводов для отвода отработавшей рабочей среды (масла); возможность использования всегда имеющихся в производственных цехах пневмомагистралей.
Имеющиеся недостатки – это невозможность, из-за сжимаемости воздуха, обеспечить достаточно высокую точность позиционирования рабочего органа, что затрудняет практическое использование этих роботов в таких трудно автоматизируемых процессах, как сборка. Это объясняется тем, что скорость исполнительного органа непостоянна и зависит от нагрузки (в частности, от массы переносимой роботом детали). Позиционирование здесь производится по переставным жестким упорам, поэтому погрешность позиционирования находится в пределах ± 0,1 мм.
Следует отметить, что погрешность позиционирования является важнейшей характеристикой роботов любых моделей, поэтому ниже, в этом же разделе пособия (п. 4.2) рассматривается методика ее экспериментального определения и проверки роботов на точность.
Данный робот использует прямоугольную пространственную систему координат с позиционированием в двух точках по каждой из координат. Окончание перемещения по любой из управляемых координат контролируется специальными датчиками конечного положения (конечными выключателями), что является обратной связью.
Роботы данного типа могут успешно использоваться, например, для автоматизации вспомогательных технологических операций (типа «загрузка-выгрузка»), не требующих высокой точности перемещений:
· при холодной листовой штамповке, в условиях серийного и мелкосерийного производств, когда требуется достаточно частое перепрограммирование;
· транспортирования из накопителей сориентированных деталей в штампы;
· для загрузки и разгрузки приспособлений различных станков;
· для управления объединенным в робототехнический комплекс технологическим оборудованием и других целей.
При этом температура окружающей среды должна быть в пределах
5 – 40° С, а относительная влажность воздуха не более 80%.