Основные понятия и определения робототехники и технологии автоматизированного процесса сборки.

Рука человека обладает двигательными  функциями, силовой, тактильной, болевой  и температурной чувствительностью. Стремление конструкторов и ученых обеспечить аналогичную гамму функциональных возможностей манипуляторов СПР  при сегодняшнем уровне техники  недостижимо, да и не всегда целесообразно.

Требования, предъявляемые  к манипуляторам, определяются объектом сборки, способами организации рабочей  среды, возможностями управляющих  систем, особенностями технологического оборудования, технологического процесса сборки и фиксации деталей в узле.

При создании СПР конструкторы пытаются обеспечить динамические и  энергетические возможности, сопоставимые с физиологическими возможностями  руки человека — оператора. При замене рабочих-сборщиков роботами преследуется цель не только освобождения человека от монотонных, физически однообразных, а порой и вредных для здоровья операций, но и одновременно обеспечения  таких темпа сборки и качества собираемых изделий, которые недостижимы при ручных сборочных операциях. Это возможно, когда динамические характеристики манипуляторов не хуже средних физиологических данных рабочего-сборщика.

Для практических целей не всегда требуется воспроизведение  манипулятором СПР предельных параметров руки человека. Часто линейная скорость перемещения исполнительного механизма, например ЗУ, лежит в диапазоне 0,8... 1,5 м/с при движении любого подвижного звена манипулятора, а его линейное ускорение в 5...10 раз больше численного значения номинальной скорости, т. е. может быть в пределах 4...15 м/с2.

Практика и теория роботизации  сборочных операций позволяют определить ряд требований, предъявляемых к  манипуляторам роботов, выработанных с целью повышения их эффективности [14]:

1. Высокое быстродействие. Сборочные ПР должны удовлетворять  двум противоречивым условиям: с  одной стороны, минимальная масса  подвижных звеньев для уменьшения  затрат энергии при увеличении  скорости, а с другой — увеличенная  жесткость конструкции для снижения  деформаций, влияющих на точность. Конструкторы отдают предпочтение  минимизации подвижных масс, но  есть практические пределы облегчения  конструкции и снижения мощности  приводных двигателей.

2. Снижение стоимости.  Есть тенденция усложнения СПР  по сравнению с другими типами  ПР с целью, чтобы они могли  копировать движения оператора-сборщика. Высокая степень гибкости становится  необходимой, так как на конструкцию  собираемого изделия часто не  накладываются ограничения, учитывающие  возможности сборочного оборудования. Отсюда вытекает задача разработки  дешевого робота с необходимой  и достаточной точностью позиционирования, с разумно ограниченными возможностями, способного выполнять большинство задач сборки изделий, спроектированных с учетом возможностей роботов. Для осуществления этого вырабатывают определенный свод правил конструирования изделий для роботизированной сборки, учитывающий ограничения, накладываемые на двигательные возможности роботов.

На основе таких требований к технологичности собираемых изделий и данных о типовых изделиях близкой номенклатуры сформулированы следующие технические требования к исполнительному устройству манипулятора  СПР:

вертикальное перемещение  ЗУ обеспечивается не более чем одним  силовым приводом;

должна быть предусмотрена  возможность поворота вокруг вертикальной оси;

конструкция ЗУ должна обеспечивать захват и удержание небольших деталей призматической формы и тел вращения;

определение наличия детали в ЗУ осуществляется установленными в нем простыми сенсорными устройствами;

контроль операции сопряжения деталей  осуществляется путем анализа  их вертикального перемещения (например, датчиками проскальзывания);

должна быть обеспечена податливость в горизонтальной плоскости.

3. Универсальность и низкая  стоимость ЗУ. Многорукие сборочные роботы (в особенности малых размеров) обладают возможностью быстрой смены ЗУ. Это свойство позволяет осуществлять захват деталей различной геометрии в разнообразных условиях. Однако частые смены ЗУ приводят к снижению производительности. Поэтому число смен ЗУ должно быть минимизировано одним из предлагаемых ниже методов:

монтировать на кисти робота несколько ЗУ и поворотом запястья в соответствующее положение  выбирать для работы требуемый ЗУ;

разработать универсальное  программируемое ЗУ, пригодное для  широкого диапазона форм и размеров деталей;

конструировать детали собираемых изделий таким образом, чтобы  число замен ЗУ, необходимое для  сборки, было минимальным. Этот метод  подобно разработке технических  требований для роботов с ограниченными  возможностями в значительной степени  зависит от разработки системы классификации  и кодирования для роботизированной сборки, которая, в свою очередь, определяет выработку правил конструирования процесса сборки;

собирать с помощью  робота одновременно большое число  изделий. В этом случае затраты времени  на смену ЗУ по отношению к продолжительности сборки одного изделия существенно уменьшаются. Этот путь может показаться наиболее простым, но следует учитывать трудности, связанные с увеличением числа монтажных приспособлений, большими потерями рабочего пространства и основного времени сборки из-за того, что руки робота должны будут перемещаться на значительные расстояния.

Рис.24. Общие виды манипуляторов  СПР и их структурные кинематические схемы.

 

 

 

4 ФУНКЦИОНАЛЬНЫЕ УСТРОЙСТВА  РТСК

 

          4.1 Бункерные загрузочно-ориентирующие устройства.

Бункерные загрузочно-ориентирующие  устройства (БЗОУ) представляют собой  группу механизмов, принимающих детали навалом и выдающих их строго ориентированным  и в пространстве и во времени.

Несмотря на то, что БЗОУ имеют высокую степень автоматизации, они не могут применяться во всех случаях. Часто препятствиями к  их использованию являются габаритные размеры, хрупкость и повышенная сцепляемость объектов сборки, требования к качеству поверхности объектов и др.

Как правило, в БЗОУ осуществляется первичное ориентирование и поштучное  отделение объектов сборки. Однако для простых объектов БЗОУ может  быть необходимым и достаточным  по функциональному назначению механизмом, осуществляющим не только первичное, но и другие стадии ориентирования объектов с целью приведения их в требуемое  положение относительно заданных поверхностей.

В табл. 3 представлена классификация  БЗОУ по способам выноса объектов сборки из  навала.

Как показывает анализ, в  сборочном производстве наиболее широкое распространение получили вибрационные бункерные загрузочно-ориентирующие устройства (ВБЗОУ), что объясняется их сравнительно малыми габаритными размерами, высокой производительностью, независимо от массы деталей, отсутствием специальных предохранительных устройств от переполнения и заклинивания, возможностью осуществлять ориентирование (первичное и вторичное) в процессе транспортирования деталей, достаточно высокой универсальностью в отношении формы и размеров деталей, возможностью переналадки на другой тип деталей путем замены лишь чаши с лотками, налаженным серийным выпуском типовых виброприводов для чаш с диаметрами до 100, 250 и 450 мм. Однако им присущи такие недостатки, как наличие вибрации, сложность настройки, неритмичная выдача деталей, что требует применения специальных устройств (лотков, магазинов, питателей, отсекателей) для синхронизации производительности ВБЗОУ и сборочного технологического оборудования, малая продолжительность непрерывной работы без подзагрузки, что снижает автономность сборочных систем.

Таблица 3. Классификация  БЗОУ.

 

4.2 Технологические устройства РТСК.

Тип технологических устройств  для автоматической сборки узлов  изделий определяется главным образом  видом соединения, для которого они  предназначены. Различают технологические  устройства для сборки разъемных  и неразъемных соединений. Роботизированная сборка накладывает специфические  требования на технологические устройства, которые определяются двумя основными  схемами построения РТСК. В первой схеме робот выполняет функции захвата деталей, в некоторых случаях — базирование при сборке и удаление собранного узла. В таких комплексах операцию сборки осуществляет стационарное технологическое устройство.

Во второй схеме промышленный робот непосредственно выполняет  операции комплектования и сборки деталей.

К технологическим устройствам, работающим в составе РТСК, построенных  по первой схеме, предъявляются требования: применение единого источника энергии, возможность управления от общей  системы. Устройства должны обладать достаточной универсальностью и быстро переналаживаться с одного типоразмера на другой.

К технологическим устройствам, работающим в составе РТСК, построенным  по второй схеме, предъявляются требования единства источника энергии робота и технологического устройства и  возможности работы от единой системы управления. Так как технологическое устройство крепится на конец руки манипулятора, к нему предъявляются требования снижения массы, а, следовательно, и размеров для уменьшения инерционных нагрузок в приводах роботов. Технологические сборочные устройства должны иметь высокую производительность, обладать достаточной универсальностью и надежностью в работе.

 

 

5  СИСТЕМЫ  УПРАВЛЕНИЯ  РТСК И СПР

 

5.1 Структура, задачи и уровни управления РТСК и СПР.

Основными функциональными  частями РТСК как автоматической системы являются исполнительная и управляющая системы, взаимосвязь которых представлена на рис. 7.1.

Функция системы управления (СУ), исходя из назначения РТСК, состоит  в целенаправленном воздействии  на исполнительную систему, которое  обеспечивает ей заданное протекание технологических преобразований.

Управление РТСК предполагает использование трех потоков (видов) информации: задающей (программной) информации, информации обратной связи и информации о «внешней среде».

Целеопределяющей является задающая информация, которая поступает в запоминающее устройство. В простых СУ задающая информация содержит сведения о величинах перемещений, последовательности действий, интервалах подачи команд и т. п., в сложных системах задающая информация менее конкретна, она содержит только основные управляющие сведения, а необходимую информацию СУ вырабатывает сама из модели объекта управления.

Информация обратной связи, отражающая фактическое состояние  исполнительной системы, собирается и  предварительно обрабатывается с помощью информационной системы. Эта же система осуществляет сбор и первичную переработку информации о «внешней среде», в качестве которой могут выступать другие технологические системы. В соответствии с изложенным можно различать внутреннюю и внешнюю информационные системы.

Система диагностики перерабатывает информацию обратной связи с целью установления отклонений от заданного функционирования всей исполнительной системы или отдельных ее частей.

Система обработки информации в соответствии с алгоритмом работы анализирует всю совокупность данных и вырабатывает управляющие воздействия в случае необходимости изменения протекания технологического  процесса.

В соответствии с видом  используемой информации и степенью коррекции задающей информации можно выделить три метода управления: программное, адаптивное и интеллектуальное.

Системы управления, использующие только задающую информацию, называются разомкнутыми — это системы программного управления.

Системы управления, использующие как задающую, так и информацию обратной связи, называются замкнутыми. Эти системы позволяют

 

 

реализовать более сложные  задачи управления, связанные с корректировкой задающей информации. Такие системы можно назвать адаптивными. Эти два типа систем широко применяются для управления технологическим оборудованием.

Системы управления, использующие все потоки информации, применяются  на уровнях организационного управления. Они позволяют выполнять сложные задачи адаптивного управления с существенной коррекцией задающей информации, которая в этом случае задается в достаточно общем виде. Наиболее развитые системы интеллектуального управления могут сами планировать функционирование исполнительной системы.

Эксплуатация РТСК происходит под влиянием возмущающих факторов, выводящих систему из нормального режима работы, и управляющих воздействий, обеспечивающих требуемое функционирование всей системы и отдельных ее частей.

 

5.2. Требования к СУ.

К основным свойствам, которыми должна обладать система управления РТСК, относятся: многофункциональность, автономная исполнительность, самосовершенствование, естественность общения, адаптивность.

Под многофункциональностью понимается потенциальная возможность выполнения большого разнообразия функций, реализация которых необходима для обеспечения функционирования РТСК в составе ГРСС.

Для обеспечения свойства многофункциональности система  управления должна реализовать большой набор действий из различных классов, который должен быть полным (т. е. обеспечить достижение любой цели, заданной РТСК в данной ГРСС) и рациональным (в смысле ресурсных ограничений, обеспечивающих эффективность ГРСС). В общем случае необходимым условием полноты набора действий СУ РТСК является наличие в его составе поведенческих актов, обеспечивающих манипуляционные возможности исполнительной системы РТСК, восприятие информации о состоянии внешней среды и самом РТСК, принятие решений о выборе поведенческих актов, общение с человеком-оператором, верхним уровнем управления ГРСС и другими  подсистемами  в  режиме «равноправного взаимодействия».