Этапы развития автоматизации

МЕТАЛЛУРГИЧЕСКИЕ МАНИПУЛЯТОРЫ

И РОБОТОТЕХНИКА

Цель курса: ознакомиться с назначением, областями применения, с устройством и функционированием, с принципами построения и основными проблемами внедрения промышленных роботов и робототехнических систем, как одного из элементов комплексной автоматизации и механизации производства, в том числе и металлургического.

ЛИТЕРАТУРА

1. Козырев Ю.Г. Промышленные роботы. Справочник. – М.: Машиностроение, 1983.

2. Андрианов Ю.Д., Бобриков Э.П., Гончаренко В.Н. Робототехника. – М.: машиностроение, 1984.

3. Василенко Н.В., Никитин К.Д., Пономарев В.П., Смолин А.Ю. Основы робототехники. Учеб. пособие для вузов. – Томск: МГП “РАСКО”, 1993.

4. Асфаль Р. Роботы и автоматизация производства./ Евстигнеева М.Ю.,

Копылова Б.Н. – М.: Машиностроение, 1989.

5. Скотт П. Промышленные роботы – переворот в производстве./ Волкевича Л.И. – М.: Экономика, 1987.

6. Накано Э. Введение в робототехнику./ Филатова А.М. – М.: Мир, 1988.

Тема 1

ПРОМЫШЛЕННЫЕ РОБОТЫ В СИСТЕМЕ КОМПЛЕКСНОЙ АВТОМАТИЗАЦИИ ПРОИЗВОДСТВЕННЫХ ПРОЦЕССОВ

Эволюция общества и производства обусловила возникновение и развитие особого класса машин – роботов – и соответствующего научного направления – робототехники. Робототехника – интенсивно развивающаяся научно-техническая дисциплина, изучающая не только теорию, методы расчета и конструирования роботов, их систем и элементов, но и проблемы комплексной автоматизации производства и научных исследований с применением роботов.

В 70-е годы XX века распространилось название CAD/CAM систем:

CAD – Computer Aided Design (системы автоматизированного проектирования и технологической подготовки производства);

CAM – Computer Aided Manufacturing (автоматизированные системы управления технологическими процессами).

Эти системы обладают следующими особенностями:

· строятся на базе ЭВМ в виде аппаратных и программных средств, для целей технического проектирования, графического представления информации, машинного анализа, управления производством;

· позволяют манипулировать всевозможной графической информацией без использования ручного черчения;

· легко перестраиваются по требованиям конкретного пользователя благодаря модульному принципу построения;

· позволяют автоматически преобразовывать графическую информацию в команды управления средствами производства с числовым программным управлением (ЧПУ);

· осваиваются с минимумом усилий;

· имеют одновременный контроль точности, качества и надежности, как технологического оборудования, так и продукции.

Основными недостатками систем CAD/CAM является то, что они сохраняют большую долю ручного труда при управлении технологическими процессами, а, следовательно, остаются достаточно жесткими системами, ориентированными на специфику того или иного проекта.

В связи с этим в 80-е годы возникла новая концепция, объединившая CAD/CAM и робототехнику, которая получила название – гибкая производственная система ГПС (FMS – Flexible Manufacturing System).

В данном случае термин “робототехника” означает совокупность техники оснащенной робототехническими устройствами либо функционирующей совместно с роботами в едином технологическом процессе.

В прокатном производстве внедрение промышленных роботов (ПР) осуществляется в трех направлениях:

1. роботизация технологических процессов в ремонтно-механических цехах и на ремонтных участках;

2. роботизация операций отделки, транспортировки, упаковки, складирова­ния и отгрузки проката;

3. роботизация отдельных операций обслуживания основной технологической линии прокатного стана.

ЭТАПЫ РАЗВИТИЯ АВТОМАТИЗАЦИИ

Неравномерное развитие автоматизации в мире представлено несколькими этапами:

I. Автоматизация рабочего цикла машин:

1. универсальные станки;

2. универсальные автоматы;

3. специальные и специализированные автоматы;

4. автоматы к агрегатным станкам;

5. автоматические линии из агрегатных станков;

6. универсальные линии на основе универсальных автоматов;

7. комплексные автоматические линии и заводы – высшая форма организации производства на этом этапе.

Автоматизация такого типа применима только для долговременного мас­сового производства типовых изделий.

II. Числовое программное управление машинами.

Новый принцип переналадки – изменение управляющей программы в ЧПУ- системе.

1. станки с ЧПУ;

2. автоматы с ЧПУ;

3. специальные станки с ЧПУ;

4. обрабатывающие центры с индивидуальными системами ЧПУ;

5. участки станков с ЧПУ.

Станки и автоматы, используемые на этом этапе, громоздки, дороги, не решены проблемы автоматизации материальных потоков и загрузки самих станков.

III. Гибкие производственные системы (ГПС).

1. промышленные роботы;

2. универсальные технологические машины и станки с ЧПУ, управляемые от компьютеров;

3. связь технологического оборудования единым управлением и автомати­ческим транспортом;

4. соединение в единую интегрированную систему всех производственных функций – конструирования, технологической подготовки производства, изготовления.

IV. Начинается создание автоматизированного производства, полностью ин­тегрированного на базе ЭВМ V-го поколения; закончится созданием гибко­го автоматизированного завода с безлюдной технологией.

V. Безотказные самовосстанавливающиеся производственные системы.

VI. Самообучающиеся производственные системы.

ОСНОВНЫЕ ОПРЕДЕЛЕНИЯ

Манипулятор – управляемое устройство, оснащенное рабочим органом и предназначенное для выполнения двигательных функций, аналогичных функ­циям руки человека при перемещении объектов в пространстве.

Различают манипуляторы с ручным, автоматическим и комбинированным управлением.

Объект манипулирования – тело, перемещаемое в пространстве манипулятором (например, заготовки, детали, захватные устройства, вспомогатель­ный, мерительный или обрабатывающий инструмент, оснастка и пр.).

Робот – автоматическая машина, включающая перепрограммируемое устройство управления и другие технические средства, обеспечивающие выполнение тех или иных действий, свойственных человеку в процессе его трудовой деятельности.

По определению Американского Института Роботов:

Робот – перепрограммируемый многофункциональный манипулятор, предназначенный для перемещения материалов, деталей, инструментов или специальных приспособлений посредством различных программируемых движений с целью выполнения разнообразных задач.

Промышленный робот – автоматическая машина, стационарная или передвижная, состоящая из манипулятора и перепрограммируемого устройства управления и предназначенная для выполнения двигательных и управляющих функций, заменяющих аналогичные функции человека при перемещении предметов производства и технологической оснастки.

ПР наделен антропоморфными (человекоподобными) возможностями:

· физические: сила, скорость, способность к непрерывной работе, стабильность характеристик, надежность, долговечность;

· функциональные: приспосабливаемость или универсальность, возможность передвигаться в пространстве;

· умственные: способность “ощущения” и “восприятия”, память, логика, способность к обучению.

КЛАССИФИКАЦИЯ ПРОМЫШЛЕННЫХ РОБОТОВ

ПР классифицируются следующим образом:

1. По характеру выполняемых операций:

1.1 технологические (производственные);

1.2 вспомогательные (подъемно-транспортные);

1.3 универсальные.

2. По степени специализации:

2.1 универсальные (не менее 7 рабочих движений: 3 линейных, 3 угловых и 1 для поддержания предмета; выполняют разнообразные операции);

2.2 специализированные (выполняют операции одного вида, например, сварочные, или обслуживают оборудование одного назначения);

2.3 специальные (1 - 2 движения; выполняют строго определенную операцию - оснащениe технологического оборудования, выпускающего конкретную модель изделия).

3. По области применения (виду производства):

3.1 литейное;

3.2 кузнечно-прессовое;

3.3 сварочное;

3.4 механическая обработка;

3.5 термообработка;

3.6 нанесение покрытий;

3.7 автоматический контроль;

3.8 сборка;

3.9 транспортно-складские операции;

3.10 прочее.

4. По системам основных координатных перемещений:

4.1 прямоугольная (плоская и пространственная);

4.2 полярная;

4.3 цилиндрическая;

4.4 сферическая;

4.5 антропоморфный манипулятор.

5. По числу степеней свободы:

5.1 с одной;

5.2 с двумя;

5.3 с n-степенями свободы.

6. По грузоподъемности:

6.1 сверхлегкие (до 1 кг);

6.2 легкие (до 10 кг);

6.3 средние (до 200 кг);

6.4 тяжелые (до 1 т);

6.5 сверхтяжелые (свыше 1 т).

7. По мобильности:

7.1 стационарные;

7.2 подвижные;

8. По конструктивному исполнению:

8.1 встроенные в оборудование;

8.2 напольные;

8.3 подвесные.

9. По типу силового привода:

9.1 электромеханический;

9.2 пневматический;

9.3 гидравлический;

9.4 комбинированный.

10. По схеме расположения приводов:

10.1 в едином блоке;

10.2 на исполнительных органах;

10.3 комбинированная компоновка;

11. По характеру программирования скоростей и дискретных перемещений:

11.1 позиционные;

11.2 контурные;

11.3 комбинированные.

12. По характеру обработки программы:

12.1 жесткопрограммируемые (I поколение – программа содержит полный набор информации, которая не изменяется в процессе работы; программа не корректируется),

12.2 адаптивные (II поколение – работают с использованием информации об объекте и внешней среде, получаемой в процессе работы; имеют сенсорное обеспечение, которое позволяет корректировать управляющую программу);

12.3 гибкопрограммируемые и интегральные (III поколение – способны формировать программу своих действий на основе информации об объектах и внешней среде).

Основные показатели, характеризующие технические возможности ПР:

1. Номинальная грузоподъемность (кг).

2. Размеры и форма рабочей зоны (схема).

3. Показатели степени подвижности:

3.1 максимальное перемещение (мм, градус);

3.2 время перемещения (с);

3.3 максимальная скорость (м/с, градус/с);

3.4 максимальное ускорение (м/с², градус/с²);

3.5 максимальная абсолютная погрешность позиционирования (мм);

3.6 число программируемых точек при прямом и обратном перемещении.

4. Показатели захватного устройства:

4.1 усилие захватывания (Н);

4.2 время захватывания (с);

4.3 время освобождения (с);

4.4 максимальные и минимальные размеры объекта манипулирования (мм).

5. Показатели устройства управления:

5.1 число одновременно управляемых движений по степеням подвижности;

5.2 число каналов связи (входов и выходов) с внешним оборудованием.

6. Давление (МПа) и расход (м³/с) жидкости или воздуха в приводе.

7. Напряжение электропитания (В).

8. Потребляемая мощность (Вт).

9. Показатели надежности:

9.1 наработка на отказ (ч);

9.2 срок службы до капремонта (ч).

10. Масса (кг).

11. Габариты (мм).

Тема 2