Ртк в сварочном производстве особенности процессов сварки с точки зрения применения – стр. 9
5.5. РТК в сварочном производстве
Особенности
процессов сварки с точки зрения применения
промышленных
роботов. Сварка
— технологический процесс, широко
применяемый во всех отраслях народного
хозяйства для изготовления новых и
ремонта эксплуатируемых механизмов,
конструкций и оборудования. Преимущества
сварных конструкций общепризнаны, их
повсеместно применяют взамен литых,
клепаных и кованых.
Эти преимущества
позволяют уменьшить расход металла,
снизить затраты труда, упростить
конструкцию оборудования и сократить
сроки изготовления. Значительно
расширяются возможности механизации
основных технологических операций,
появляются благоприятные перспективы
автоматизации.
Разработано и внедрено
множество различных видов и способов
сварки (рис. 5.13). Сваркой соединяют
различные металлы, их сплавы, некоторые
керамические материалы, пластмассы и
разнородные материалы. Широко
применяется сварка металлов и их сплавов
при сооружении новых конструкций,
ремонте различных изделий, машин и
механизмов, создании двухслойных
материалов.
Рис. 5.13. Классификация видов
и способов сварки
Сваривать можно металлы любой
толщины. Сварку можно выполнять на
земле, в космосе и под водой в любых
пространственных положениях.
В настоящее время одной из
наиболее актуальных является задача
разработки, создания и внедрения систем
комплексной автоматизации процессов
сварочного производства. Значительная
роль в решении этой задачи отводится
промышленным роботам. На первом этапе
выбор видов и способов сварки, где
применение промышленных роботов
наиболее целесообразно и оправдано,
должен проводиться с учетом предварительно
сформулированных критериев и оценок.
К ним следует отнести: степень
распространенности данного вида и
способа сварки; невозможность пребывания
человека в зоне сварки; гигиеническую
оценку работы человека, в том числе и
степень утомляемости; наличие вредной
радиации, токсических выделений,
высокой температуры и т. п.;
технико-экономическую эффективность
автоматизации; предпосылки создания
систем комплексной автоматизации;
необходимость выполнения комплекса
движений и динамические характеристики
(скорость, точность, перемещаемые массы
и т. д.); обеспеченность предприятия
кадрами специалистов.
Проведение исследования в этом
плане вызывает определенные трудности.
Некоторые критерии определяются
чрезвычайно просто. Примером может
служить электронно-лучевая сварка
(ЭЛС), которая выполняется в вакууме
0,133…0,013 Па, так что пребывание человека
в этих условиях невозможно. Некоторые
критерии могут быть определены только
соответствующим, иногда довольно
сложным расчетом. К таким относятся
технико-экономическая эффективность
и предпосылки создания систем комплексной
автоматизации. Обеспеченность
предприятия кадрами специалистов
относится к социальным факторам и
должна оцениваться соответственно.
Приведенные соображения позволяют
в настоящее время приблизительно
оценить перспективность применения
промышленных роботов для автоматизации
процессов сварки. Не исключено, что в
ходе развития и решения этой проблемы
появятся новые соображения, которые
сейчас не попадают в поле зрения. На
основании же изложенного можно сделать
следующие выводы: 1) применение промышленных
роботов целесообразно во всех случаях,
когда человек не может находиться в
зоне сварки без специального защитного
оборудования (электронно-лучевая сварка,
сварка взрывом, сварка в космосе и под
водой), при этом технико-экономическая
эффективность отойдет на второе
место; 2) применение промышленных роботов
целесообразно для автоматизации
контактной точечной, дуговой, дуговой
точечной и электронно-лучевой сварки.
Контактная и дуговая
точечная сварка могут быть автоматизированы
промышленными роботами с позиционными
устройствами управления, а дуговая и
электронно-лучевая — требуют создания
устройств контурного управления. В
условиях индивидуального и
мелкосерийного
производства механизировать и
автоматизировать процессы сварки
целесообразно с применением групповых
технологических процессов.
Узлы и изделия
сварочного производства целесообразно
предварительно классифицировать по
следующим признакам: материал сварной
детали; сортамент заготовки; форма
сварной детали; ее
масса; вид
сварки; тип сварного соединения. Следует
отметить, что сварные детали, а в целом
и сварочное производство имеют ярко
выраженный отраслевой характер и поэтому
нецелесообразно создавать единый
классификатор для всех отраслей.
Весь комплекс операций сварочного
производства можно разделить на
шесть этапов: заготовительные, сборочные,
сварочные, отделочные, вспомогательные
(транспортные) и контрольные.
Автоматизировать собственно сварочные
операции наиболее трудно, остальные
операции можно автоматизировать на
основании опыта, полученного в других
типах производств. В настоящее время
наиболее широко применяются промышленные
роботы для автоматизации контактной
точечной и дуговой сварки.
Контактная точечная
сварка. В
тех случаях, когда свариваемые детали
имеют небольшие размеры и массу, применяют
стационарные одноточечные машины.
Рабочий вводит деталь между электродами
и перемещает ее, осуществляя сварку по
заданному контуру. Если же изделие имеет
большие размеры и массу, например кузов
легкового или кабина грузового
автомобиля, сварку выполняют с помощью
подвесных сварочных клещей, которые
сварщик перемещает по заданному контуру.
При создании роботов для контактной
точечной сварки необходимо учитывать
требования к сварному соединению,
определяемые ГОСТ 15878—79.
Уровень
автоматизации процесса контактной
точечной сварки весьма высок. Однако
суммарное время собственно процесса
сварки не превышает 20…30 % продолжительности
всего цикла. Все остальное время
приходится на вспомогательные операции,
связанные с
перемещением
сварочных клещей (изделия). Из этого
следует, что для уменьшения общей
продолжительности сварки, т. е. для
повышения производительности труда,
нужно сосредоточить усилия на автоматизации
именно вспомогательных операций.
Уровень механизации и автоматизации
вспомогательных операций в условиях
мелкосерийного производства очень
низок. Как правило, они выполняются
вручную, связаны с затратами значительной
мускульной энергии и относятся к
категории тяжелого физического
труда. Качество сварных соединений при
ручном перемещении клещей часто не
соответствует предъявляемым требованиям.
Вспомогательные
движения при контактной точечной сварке
(перемещение электрода в пространстве)
как объект автоматизации можно
охарактеризовать несколькими параметрами.
Производительность этого процесса
в первую очередь определяется количеством
точек, сваренных в единицу времени при
заданном качестве сварного соединения.
В отличие от других способов, при
контактной точечной сварке вспомогательные
операции не совмещены во времени с
собственно процессом сварки. Можно
сказать, что перемещение при этом способе
сварки осуществляется по позиционному
методу — от точки к точке. Значение
и соблюдение всех параметров этого
перемещения (скорости, ускорения,
траектории движения) желательны, но не
обязательны, важен конечный результат.
Рис. 5.14. Двухпозиционная компоновка
для контактной точечной сварки
промышленным роботом
Как известно, успешное
применение первых промышленных
роботов началось именно с контактной
точечной сварки кузовов легковых
автомобилей. Для изготовления кузова
современного легкового автомобиля
нужно сварить 5000…12 ООО точек в зависимости
от модели и конструкции кузова. Если в
условиях крупносерийного и массового
производства эффективно применение
многоэлектродных (многоточечных) машин,
то в условиях серийного и мелкосерийного
производства использование такого
специализированного оборудования
нецелесообразно. Поэтому сварка
кузовов осуществлялась специальными
подвесными сварочными клещами вручную.
Все попытки автоматизировать эту
утомительную и тяжелую операцию успеха
не имели итолько
применение промышленных роботов
позволило добиться блестящих результатов.
В настоящее время в СССР и за рубежом
есть автоматизированные производства
с применением промышленных роботов
для контактной точечной сварки.
Если деталь имеет небольшие
размеры и массу, то обычно промышленный
робот берет деталь из накопителя
(предварительно ориентированную) и
ведет сварку на стационарной сварочной
машине, поворачивая и передвигая ее,
чтобы получить заданную по программе
сварку точек.
Если деталь имеет большие размеры
и массу, затрудняющие ее переориентацию
в пространстве, то деталь устанавливают
в специальном устройстве — позиционере,
а робот, оснащенный специальными
сварочными клещами, ведет ее сварку по
заданной программе. Поскольку замена
детали требует некоторого времени,
целесообразно создавать двухпозиционную
компоновку (рис. 5.14). Замена детали в
одной позиции происходит в то время,
когда идет сварка в другой.
Сварка кузова
легкового или кабины грузового автомобиля
представляет собой очень сложный
технологический процесс, который
невозможно выполнить в одной позиции
одним (или двумя) роботами и одним
типом сварочных клещей. Необходимы
специализация инструмента и разделение
всего процесса на серию последовательных
этапов. Заметим, что и при ручной сварке
применяется конвейер, который
перемещает изделие в пространстве, а
рабочие выполняют разные, в известной
степени специализированные, операции
сварки последовательно. Так организованы
и роботизированные автоматические
линии. Конвейеры применяют пульсирующие,
изделие
в каждой позиции должно быть зафиксировано
в точном положении специальным
позиционером, весь процесс сварки кузова
делится на отдельные этапы, конечно
равные по времени. В каждой позиции
устанавливают два робота (слева и
справа), а иногда и более (снизу и
сверху), применяют специализированные
клещи.
Использование
непрерывно движущегося конвейера для
создания таких линий не исключено, но
на сегодняшний день нецелесообразно.
Это приведет к необходимости программировать
процесс перемещения в движущейся
системе координат, что значительно
сложнее. Кроме того, при непрерывно
движущемся конвейере существенно
усложняется обеспечение необходимой
точности позиционирования.
Целесообразность
создания автоматических роботизированных
линий подчеркивается еще и тем, что
идеально решается задача транспортирования
изделия от одной позиции к другой.
Обеспечивается и весьма высокий
экономический эффект применения таких
линий. На рис. 5.15 показан один из вариантов
удачной компоновки автоматической
роботизированной линии, когда роботы
расположены на разных уровнях, что
повышает эффективность их применения
и позволяет экономить производственные
площади, сокращая длину линии. Создание
и применение автоматических линий
такого типа отнюдь не исключает применения
промышленных роботов для
контактной
точечной сварки в более простых вариантах
для сварки несложных изделий.
Дуговая сварка
плавлением
— один из наиболее распространенных
видов сварки, широко применяемый во
всех отраслях народного хозяйства
при изготовлении металлоконструкций.
Сваркой плавлением можно соединять
практически все используемые для
изготовления конструкций металлы и
сплавы любой толщины.
Дуговая сварка
плавлением сложна с
точки
зрения происходящих в ней процессов
и возможности автоматизации. Действительно,
при сварке протекают электрические и
тепловые процессы, происходят перенос
жидкого металла, остывание и кристаллизация
металла, могут появляться различные
дефекты сварного соединения, имеют
место так называемые сварочные (тепловые)
деформации. До настоящего времени не
разработана адекватная математическая
модель этого процесса, что затрудняет
создание методов его автоматизации
и, в частности, роботизации.
Рис. 5.15. Схема компоновки
автоматической линии с промышленными
роботами, установленными на разных
уровнях
Рис. 6.16. Роботизированный
технологический комплекс для дуговой
сварки плавлением
Для осуществления
дуговой сварки с помощью промышленного
робота нужно иметь определенное
оборудование, которое и составит
роботизированный технологический
комплекс в наиболее простом исполнении.
На рис. 5.16 показан такой комплекс, причем
для лучшего понимания структуры его
составные части показаны необъединенными
в блоки. Так, источник питания и блок
управления процессом сварки, как правило,
объединяют в один шкаф. РТК создан на
базе серийного манипулятора рабочего
органа (горелки) «Универсал-15», устройства
управления УКМ-772 и манипулятора изделия,
который устанавливает и поворачивает
изделие в положение, удобное для
сварки.
В последнее время четко обозначилась
тенденция создания специального
манипулятора изделия с рациональным
распределением координат управления
между манипулятором рабочего органа и
манипулятором изделия.
Разработано несколько вариантов
компоновок РТК для дуговой сварки.
Самый простой состоит из одного робота
и специализированного сварочного
приспособления. Такая позиция проста
в организации и требует минимальных
изменений на предприятии, однако плохо
использует рабочее время робота.
Избавиться от этого
недостатка
можно размещением нескольких однотипных
приспособлений в пределах зоны
обслуживания робота. В этом случае
установка изделия на одной позиции
происходит во время сварки изделия
на второй. Достаточно перспективно
применение поворотных столов
различного типа, которые позволяют
максимально использовать время работы
промышленного робота (рис. 5.17)
Рис. 5.17. Роботизированный
технологический комплекс для дуговой
сварки с поворотным столом
Дальнейшим совершенствованием
роботизированных технологических
комплексов для автоматизации дуговой
сварки плавлением будет совмещение
рабочих позиций с транспортными
устройствами, подающими и убирающими
изделие из зоны сварки. В большинстве
случаев целесообразно РТК снабжать
техническими средствами и программным
обеспечением пространственной адаптации,
что связано со случайным отклонением
линии стыка свариваемых кромок от
заданного чертежом положения. В некоторых
случаях необходимы также технические
средства и программное обеспечение
технологической адаптации — корректировка
режима сварки для компенсации случайных
отклонений параметров свариваемого
соединения (сечения разделки, зазора,
превышения кромок и т. д.) от расчетных
значений.
5.6. РТК в литейном производстве
Процессы литейного производства
сопряжены с перемещением больших масс
(ковша и металла), температура расплавленного
металла очень высока, труд рабочего
весьма утомителен и однообразен,
уровень механизации и автоматизации,
особенно в условиях мелкосерийного и
серийного производства, весьма низок.
Все это, естественно, привлекает внимание
специалистов в области роботостроения
и требует конструктивного решения.
За последние годы
выпуск литья под давлением возрос в 10
раз. Среднегодовой прирост производства
литья под давлением в 1,5… 2 раза опережает
прирост всей промышленной продукции.
Перспективы развития этого литья
требуют создания комплексно-механизированных
и автоматизированных установок на базе
машин литья под давлением. Все это
обусловило целесообразность создания
роботизированных технологических
комплексов в составе: машины литья
под давлением (кокильной машины);
промышленного робота для заливки
металла; манипулятора для обдувки и
смазки пресс-форм и пресспоршня и
промышленного робота для съема отливок.
Автоматизация
процессов литейного производства на
основе использования промышленных
роботов — качественно новый этап
автоматизации этого производства.
Роботизированные технологические
комплексы в литейном производстве
впервые были созданы для литья под
давлением. Это объясняется тем, что
рабочие, обслуживающие машины литья
под давлением, кроме управления машиной
выполняют несколько трудных ручных,
так называемых внемашинных, операций
— заливку металла, обдувку и смазку
пресс-форм, установку отливки в пресс.
Производительность машин литья под
давлением очень велика — примерно 120
заливок/ч. В то же время утомляемость
рабочего ведет к нарушению технологического
режима, ухудшению качества литья,
снижению производительности оборудования.
Технологический
процесс литья в хокили очень похож на
процесс литья под давлением. Он также
включает заливку металла вручную, съем
и передачу
изделия для очистки и
обрубки. В
настоящее время ведутся работы по
роботизации этих процессов.
В литейном производстве широко
применяют машины с холодной камерой
прессования. Жидкий металл в такие
машины заливают вручную. Работы по
механизации и автоматизации этих
процессов ведутся давно, однако полностью
были автоматизированы лишь машины, на
которых отливали сравнительно легкие
детали с массой до нескольких десятков
граммов. Более крупные машины
переоборудованы для полуавтоматической
работы с сохранением ручных операций.
Задача заключается в том, чтобы
роботизировать и этот тип машин, перейти
на автоматический цикл.
Конструктивное
выполнение машин для литья под давлением
g точки
зрения расположения и характера зоны
заливки металла и
съема отливки
довольно однотипно, что позволяет
находить общие решения для их стыковки
с манипуляторами и промышленными
роботами. К заливочным манипуляторам
и промышленным роботам предъявляются
следующие требования:
1) доза не должна зависеть от
изменения уровня металла в печи;
2) металл должен заливаться
непосредственно в заливочное окно,
без применения длинных желобов и чаш;
3) в камеру прессования металл
должен заливаться без значительных
переналадок при переходе от центрального
к нижнему литью;
4) в ковш металл должен набираться
чистым, без шлаковых пленок;
5) механизмы манипулятора должны
быть надежно защищены от брызг
расплавленного металла.
Уже накоплен некоторый
опыт по созданию и применению манипуляторов
и промышленных роботов для автоматизации
процессов литья, выработаны типовые
компоновки. На рис. 5.18 показана одна из
типовых компоновок РТК для литья.
Комплекс состоит из! манипулятора / для
смазки пресс-форм; электропечи 2
(САГ-0,25-Х);
манипулятора 3
(А97.40) для
заливки металла; шкафа 4
с
электрооборудованием; пульта
управления 5; промышленного робота 6
(А97.20); блокировочной площадки 7; установки
8 для
охлаждения; пресса 9
и машины
10 (71111)
для литья под давлением. Отдельные
агрегаты связаны общим устройством
управления. Элементы автоматики и
органы управления размещены в общем
для комплекса электрошкафу и центральном
пульте управления. Промышленный робот
имеет пять управляемых координат и
движение зажима.
Рис. 5.18. Типовая компоновка РТК
с машиной литья под давлением А97
Рис. 5.19. Типовая компоновка
автоматической линии для литья под
давлением
Типовая компоновка
автоматической линии для литья изделий
10 под
давлением на базе пресса 711Б08 приведена
на рис. 5.19. В состав линии входят:
манипулятор 9
(ЛМ-35) для
заливки металла; механизм 6
обдува и
смазки пресс-форм и пресс-плунжера;
пресс 4
(П-16) для
обрубки облоя; бак 2
охлаждения;
электропечь 8
(САГ-0,16);
машина 1 (711Б08) для литья под давлением;
манипулятор 3 (РМ-2); насосная установка
5; электрошкафы 7, 11, 12,
13.
Создание роботизированных
технологических комплексов и
роботизированных линий для автоматизации
различных технологических процессов
— важный этап в создании роботизированных
участков, цехов и заводов.
Можно
с уверенностью утверждать, что этот
путь приведет к созданию гибких
автоматизированных производств (ГАП),
способных обеспечить высокую
экономическую эффективность в условиях
мелкосерийного и серийного производства.
5.7. Роботизированные
технологические линии
Промышленные роботы достаточно
широко применяются в автоматических
линиях. Прежде всего это относится к
контактной точечной сварке кузовов
легковых автомобилей и кабин грузовых
машин, но постепенно распространяется
и на процессы гальваностегии, окраски
и сборки.
Первая автоматическая
линия промышленных роботов (1970 г.) была
создана для сварки кузовов легкового
автомобиля «Вега» на одном из заводов
фирмы «Дженерал моторе» в г. Лордстауне
(США). В составе линии 26 роботов «Юнимейт»,
которые выполняют контактную точечную
сварку кузова автомобиля, перемещающегося
на пульсирующем конвейере. Каждый робот
имеет индивидуальное управление и может
сваривать по нескольким программам.
Выбирается программа по специальному
магнитному маркеру на подходящем
очередном кузове. Такая система позволяет
пустить по конвейеру несколько
моделей кузовов. Перед сваркой кузов
фиксируется в строго определенном
положении. По данным фирмы, роботы
работают более чем 2 смены в день, заменяя
около 50 чел. и окупая себя в течение 18
мес. Точность постановки сварных точек
±1,5 мм, производительность сварки около
60 точек/мин.
В 1970—1971 гг.
западногерманская фирма КУКА
спроектировала, изготовила и установила
на заводе «Даймлер-Бенц» в г. Штутгарте
автоматическую линию промышленных
роботов для контактной точечной сварки
боковин легкового автомобиля
«Мерседес». Эта линия состоит из двух
параллельных потоков для сварки
правой и левой боковин и включает в себя
12 роботов фирмы «Юнимейшн», закупленных
в США. Отличительная особенность этой
линии — сочетание пульсирующего
конвейера со специальными кантователями,
поворачивающими и фиксирующими боковину
в вертикальном положении, наиболее
удобном для сварки.
Рис. 5.20.
Участок роботизированной технологической
линии на Запорожском автомобильном
заводе
Так была решена задача точного
позиционирования изделия перед сваркой.
Весь технологический процесс сварки
боковин разбит на шесть участков,
причем на каждом из них сваривается
несколько десятков точек с темпом
15…20 точек/мин частично специализированными
клещами.
В 1988 г. на Запорожском автомобильном
заводе (ЗАЗ) пущены в эксплуатацию
несколько роботизированных технологических
линий в кузовном производстве (рис.
5.20). Эти линии созданы совместно с
фирмой «Комау».
Научно-исследовательский,
конструкторско-технологический и
проектный
институт робототехники Минавтопрома
(г. Киев) совместно со специалистами
ПО АвтоКРАЗ разработал и внедрил три
роботизированных технологических
комплекса для контактной точечной
сварки типа РТК-1, оснащенных промышленными
роботами ПР-601/60 производства ПО АвтоВАЗ,
для доварки кабины грузового автомобиля
КРАЗ (рис. 5.21). РТК обеспечивает сварку
700 точек
в цикле длительностью 14 мин, т. е. работает
с производительностью приблизительно
50 точек/мин.
Одно из необходимых
условий создания роботизированной
линии —
пульсирующий конвейер. Возможность
создания роботизированной
линии на базе непрерывно движущегося
конвейера не исключена, но тогда
необходимо обеспечить работу робота в
движущейся системе координат, что
создает дополнительные и серьезные
трудности при программировании и вряд
ли оправдано.
Рис. 5.21.
РТК для сварки
кабины грузового автомобиля на
Кременчугском автомобильном заводе
Второе необходимое
условие создания роботизированной
линии с
пульсирующим
конвейером — обеспечение необходимой,
заданной точности позиционирования
изделия в момент остановки конвейера.
Как правило, это требование удовлетворяется
применением специальных устройств,
именуемых позиционерами.
Рис. 5.22. Схемы автоматических
линий промышленных роботов:
а
— без съеме
изделия с конвейера; б — со съемом; в
— без
конвейера
Рис. 5.23. Схема устройства
позиционера
Создание и применение
роботизированных линий — важнейшее
направление робототехники, открывающее
большие перспективы в производственном
и экономическом отношениях.
Автоматические
роботизированные линии можно разделить
на три группы, или три типовые схемы.
1. Роботизированную
линию, состоящую из пульсирующего
конвейера и последовательно расположенных
возле него роботов, каждый из которых
выполняет свою технологическую операцию
(рис. 5.22, а).
Особенность
этой схемы состоит в том, что изделие с
конвейера не снимается. Такая схема
широко применяется при контактной
точечной сварке кузовов легковых
автомобилей и кабин грузовых машин.
2. Роботизированную
линию, состоящую из пульсирующего
конвейера, последовательно расположенных
роботов и технологического оборудования
(рис. 5.22, б).
При этой
компоновке изделие с конвейера снимается
роботом и переносится на технологическое
оборудование. Такая компоновка, требующая
очень четких и согласованных действий
конвейера, роботов и технологического
оборудования, применяется в
металлообработке.
3. Роботизированную
линию, не имеющую конвейера, которая
состоит из последовательно расположенного
технологического оборудования и
промышленных роботов (рис. 5.22, в).
Такая схема
близка к схеме роботизированного
технологического комплекса (особенно
при малом количестве технологического
оборудования) и может применяться в
различных процессах машиностроительной
промышленности.
В тех случаях, когда нужно
обеспечить весьма точную установку
изделия, а конвейер не соответствует
этим требованиям, применяют специальные
позиционеры. Принцип работы позиционера
заключается в том, что изделие снимается
и приподнимается над конвейером в
специальном приспособлении, которое,
поддерживая изделие на базовых
поверхностях, обеспечивает его
ориентирование о высокой степенью
точности (рис 5.23). Высота подъема изделия
невелика, конструкция конвейера
может быть создана с использованием
электромеханических или гидравлических
приводов.
§
5.3. РТК в механообработке
Механическая обработка — это
завершающий этап производственного
процесса перед сборкой. Поэтому
механическую обработку проходит
большинство заготовок и полуфабрикатов.
Отличительные особенности
процессов механообработки с точки
зрения роботизации:
1) относительно большое машинное
время обработки изделий (от десятков
секунд до нескольких десятков минут);
2) отсутствие высоких температур
нагрева заготовок;
3) достаточно точная форма
заготовок и особенно изделий.
Номенклатура деталей, обработка
которых технически возможна и
целесообразна на автоматизированных
комплексах «станок — робот», определяется
следующими факторами:
1) конструктивными параметрами
деталей;
2) видом и состоянием заготовки,
поступающей на обработку;
3) техническими требованиями,
предъявляемыми к детали;
4)
габаритными размерами и массой детали.
Детали, предназначенные для
обработки в системе «станок — робот»,
должны иметь следующие параметры:
1) однородные по форме и расположению
поверхности для базирования и захвата,
позволяющие без дополнительной проверки
устанавливать их на станок, где для
базирования и закрепления используется
широкоуниверсальная технологическая
оснастка (центры, патроны, пневмотиски
и др.);
2) ясно выраженные базы и признаки
ориентации, позволяющие организовать
транспортирование и складирование
заготовок около станков в ориентированном
виде с использованием стандартной
вспомогательной оснастки;
3) возможность унифицировать
процессы обработки и типы оборудования
для применения группового метода
обработки.
В методических рекомендациях
«Автоматизированные технологические
комплексы «оборудование — робот» (М-:
НИИМаш, 1981.— 104 с.) приведены подробная
классификация и номенклатура деталей,
рекомендуемых для обработки в
роботизированных технологических
комплексах. Ограничения по геометрической
форме деталей диктуются не столько
применением промышленных роботов,
сколько трудностями транспортирования
деталей, сохранения их ориентированного
положения при использовании стандартной
тары и приемопередающих механизмов.
Автоматизация механообработки
за счет применения промышленных
роботов может развиваться по пути
создания: 1) роботизированных
технологических комплексов на базе
имеющегося оборудования и 2) отлаженных
комплексов на заводах-изготовителях
на базе современного технологического
оборудования. Оба направления могут
развиваться параллельно, но второй путь
нам кажется перспективнее.
Автоматизация станков методом
стыковки их с роботами требует обязательно
некоторой модернизации станков-автоматов
и упорядочения хранения и
транспортирования заготовок и изделий.
Поэтому особенно важно проводить
предварительный технологический анализ
и создавать технологическую и техническую
документацию для подготовки и применения
промышленных роботов.
Технологический процесс обработки
деталей в роботизированном
технологическом комплексе характеризуется:
1) максимально возможной
концентрацией операций на станках в
ЧПУ, что позволяет сократить число
остановок в процессе производства,
улучшает качество изделия за счет
повышения точности, сокращает время
производственного цикла;
2) оснащением станков легко
переналаживаемой оснасткой, обеспечивающей
без значительной переналадки высокоточное
базирование и надежное крепление
детали в процессе обработки;
3) тщательной
подготовкой баз на обрабатываемых
изделиях, гарантирующей получение и
сохранение заданных чертежами технических
требований.
Рис. 5.7 Схема РТК с горизонтальной
компоновкой направляющей робота
Рис. 5.8. Схемы компоновок РТК для
обслуживания металлорежущих станков
Для роботизированных
технологических комплексов в первую
очередь нужно использовать станки
с ЧПУ и цикловым программным
управлением, а также станки-полуавтоматы.
Совместная работа станка с промышленными
роботами требует доработки его
электрической схемы, чтобы обеспечить
возможность обмена необходимой
информацией между станком и
роботом.
Обмен осуществляется с помощью команд
(ответов).
В механообработке
существует много различных компоновок
роботизированных технологических
комплексов. Горизонтальная компоновка
направляющей робота, расположенной над
станками, показана на рис. 5.7. Три
варианта
компоновок РТК с обычными напольными
промышленными роботами, обслуживающими
один или несколько станков, приведены
на рис. 5.8.
5.4. РТК в сборочном производстве
Сборка изделия —
завершающий этап производства, во многом
определяющий качество и стоимость
продукции. В различных отраслях
машиностроения трудоемкость сборочных
работ составляет от 40
до 50 % общей
трудоемкости изготовления изделий, что
объясняется большим объемом операций
и низким
уровнем их автоматизации и
механизации.
В условиях серийного
и мелкосерийного
производства, удельный вес
которого
составляет около 75 %, стоимость сборки
существенно выше, чем в крупносерийном
и массовом производстве, главным образом
вследствие большого объема пригоночных
и доводочных операций и значительной
трудоемкости межоперационного и
межцехового
транспортирования.
Для более глубокого понимания
процесса сборки как объекта роботизации
рассмотрим некоторые основные положения,
которые характеризуют этот производственный
процесс.
Каждое
изделие в машиностроении с технологической
точки зрения состоит из элементов
различной сложности, узлов и отдельных
детален. Деталью
называют
часть изделия, выполненную из однородного
материала и
являющуюся
первичным звеном сборки. Узлом
называют
часть изделия,
представляющую
собой любое соединение некоторого
количества деталей, выполненное любым
способом. Далее
по степени
сложности выделяют подгруппы
и группы.
Различают конструктивные
и сборочные
элементы
изделий.
Конструктивные
элементы определяются
функциональным назначением их в
машине независимо от порядка выполнения
сборки» сборочные
— представляют
собой узлы и детали машин, которые могут
быть собраны отдельно и независимо от
других элементов изделия.
Схему изделия средней сложности
можно представить в виде иерархической
структуры, на нижнем уровне которой
расположены отдельные детали, а на
верхнем — готовое изделие.
Все многообразие выполняемых
при сборке соединений можно разделить
на следующие четыре типа:
1) неподвижные разборные соединения;
2) неподвижные неразборные
соединения;
3) подвижные разборные соединения;
4) подвижные неразборные соединения.
Неподвижные
соединения обеспечивают
неизменное взаимное положение
собранных деталей или узлов. Подвижные
соединения обеспечивают
возможность определенного взаимного
перемещения деталей. Разборными
называют
соединения, которые могут быть разобраны
без особых затруднений и без повреждения
сопряженных или крепежных деталей.
Неразборными
называют
соединения, разборка которых в процессе
эксплуатации не предусмотрена, а потому
крайне затруднительна, требует
больших усилий или сопровождается
повреждением сопряженных деталей.
Анализ изделий машиностроения
и технологических процессов их сборки
показал, что около 70…90 % соединений
деталей, выполняемых в процессе
сборки,— типовые. Технологическая
структура сборки, а точнее соединительных
операций представлена ниже:
Виды соединений Удельный вес,
%
С зазором 30…35
Резьбовые 30…40
Прессовые 10…15
Прочные 10…20
В процессе сборки
человеку приходится выполнять весьма
большой перечень разнообразных
работ, в том числе обрубку, опиливание,
шабрение, притирку, отделку абразивным
инструментом, различную обработку
отверстий (сверление, нарезание резьбы,
зенкование, развертывание и др.), промывку
и очистку деталей. Кроме того, при сборке
применяются клепка, контактная точечная
и дуговая сварка, склеивание деталей,
соединение с натягом, разнообразные
винтовые соединения.
Помимо перечисленных операций
сборщик выполняет большое количество
транспортных, вспомогательных операций,
перемещая мелкие и крупные детали в
пространстве — главным образом от
лотков-накопителей к собираемому
изделию.
В машиностроении различают три
основных вида сборки:
1)
по принципу индивидуальной пригонки;
2)
по принципу полной взаимозаменяемости;
3)
по принципу ограниченной взаимозаменяемости.
Кроме того, применяется так
называемая селекционная сборка, которая
осуществляется методом непосредственного
подбора, методом предварительной
сортировки деталей на группы и
комбинированным методом.
Организационные формы сборки
зависят от типа производства, размера
выпуска, трудоемкости процесса сборки
и других факторов. С точки зрения
роботизации можно выделить три основные
организационные формы сборки.
Стационарная сборка
(рис. 5.9, а)выполняется
на одном сборочном посту, к которому
подаются все необходимые детали, узлы
и материалы. Таким образом собирают
самолеты, тяжелые изделия Типа
турбин,
металлорежущие станки и т. д.
Транспортировка
таких изделий по цеху либо невозможна,
либо трудноосуществима и совершенно
нецелесообразна.
Подвижная сборка
(рис. 5.9, б)
выполняется
при перемещении собираемого изделия
от одного сборочного поста к другому;
на каждом из
таких постов
рабочие выполняют только одну определенную
и повторяющую
операцию. Детали, узлы и
материалы
подаются к
соответствующим
рабочим местам сборочного поста,
оборудованного соответствующими
инструментами и приспособлениями,
необходимыми для выполнения работы.
Наиболее ярким и
характерным
примером подвижной сборки может служить
сборка легковых и грузовых автомобилей
на конвейере, широко распространенная
на большинстве автомобилестроительных
заводов всех стран. Кузова легковых и
кабины грузовых автомобилей укреплены
на специальном конвейере, который
перемещается вдоль цеха. Рабочие-сборщики
выполняют соответствующие операции,
и с конца конвейера сходит готовая
машина. Таким образом производят
контактную точечную сварку кузовов.
Рис. 5.9. Основные организационные
формы сборки:
а
—
стационарная; б
— подвижная;
в —
транспортная;
1 — собираемое
изделие; 2
— комплектующие
детали; 3 —
конвейер; 4
— зона
сборки; 5 — транспортный робот — робокар.
Следует обратить
внимание на то, что подавляющее количество
таких конвейеров движется непрерывно
с определенной скоростью. Исследования,
проведенные социологами, показали, что
на постоянно движущемся конвейере
рабочий работает лучше, чем на
пульсирующем. Фиксированное время,
отведенное для выполнения операции
сборки, способствует излишнему утомлению
человека. Обобщение опыта применения
роботов на сборочных и сварочных
операциях позволило сделать однозначный
вывод: для успешного функционирования
роботов значительно лучше пульсирующий
конвейер. Программирование робота
в движущейся системе координат возможно,
но значительно сложнее. Кроме того,
уменьшается точность позиционирования
робота.
Транспортная сборка
(рис. 5.9, в).
В последние
годы некоторые передовые автомобилестроительные
фирмы отказываются от традиционных
принципов подвижной сборки с применением
конвейеров. Объясняется это тем, что
сам принцип конвейерной сборки
ограничивает возможности предприятия
и затрудняет его перестройку на выпуск
новой модели автомобиля.
Взамен традиционного
конвейера создаются отдельные посты
сварки и сборки, а изделие перемещается
между ними по программе с помощью
специальных транспортных роботов —
робокаров. Вся система управляется
единой ЭВМ, а на каждом робокаре есть
своя бортовая ЭВМ. Такая многопостовая
транспортная система сборки обладает
высокой мобильностью и может быть в
кратчайшие сроки переведена на выпуск
другого типа изделия. Примером может
служить известная система «Робогейт»,
созданная автомобильным концерном
«Фиат» совместно со станкостроительной
фирмой «Комау».
Во всех вариантах
сборочного производства особое значение
имеет разработка операционной и
маршрутной технологии.
В настоящее время имеются
совершенно очевидные достижения
робототехники и роботостроения, но
уровень использования роботов в
сборочном производстве существенно
ниже, чем в других производственных
процессах. Такое положение, по-видимому,
определяется некоторыми особенностями
сборочных процессов, которые сводятся
к следующим:
1)
необходимость высокой точности
ориентирования и позиционирования
сопрягаемых деталей;
2)
многовариантность технологического
процесса сборки;
3)
необходимость иметь постоянную обратную
связь в ходе процесса сборки;
4)
высокий уровень манипулирования
деталями;
5)
необходимость приложения фиксированных
усилий в некоторых операциях;
6)
необходимость определения базовых
поверхностей;
7)
большое количество специальных
приспособлений и оснастки, применяемых
в процессе сборки.
Можно сказать, что
роботизация сборочных процессов связана
с разработкой
достаточно совершенной манипуляционной
системы, заменяющей руки человека при
осуществлении сложных координированных
движений. Однако это обстоятельство не
единственное, усложняющее применение
роботов в сборочном производстве.
При выполнении сборочных операций
робот часто должен делать выбор между
запланированной последовательностью
действий и последовательностью,
обусловленной сложившимися в данный
момент условиями сборки. Такие
ситуации можно разделить на два класса.
К первому относятся те случаи,
когда выбор связан с обнаружением
допущенной при сборке ошибки, например
взятие другой детали, и исправлением
этой ошибки. Второй класс образуют те
ситуации, когда выбор последовательности
действий связан с координацией и
синхронизацией процесса. Так, например,
при завершении очередного этапа
сборки робот может подать соответствующий
сигнал внешним устройствам и продолжать
операцию или может ожидать внешний
сигнал о дальнейшей работе.
Если при сборке робот
выполняет одну определенную
последовательность операций, которая
может быть прервана при возникновении
ошибки или другой непредвиденной
ситуации, то такой порядок будет
называться фиксированным.
Можно представить
себе режим с переменным
порядком, когда
последовательность операций определяется
не только общей технологией сборки,
но и сложившейся ситуацией, что позволяет
роботу выбрать рациональный или даже
оптимальный по выбранным критериям
качества вариант. Конечно, при таком
режиме работы робота требуется
большой объем внешней информации и
высокий уровень интеллекта робота.
Такой режим позволяет роботу изменить
план проведения сборки или перейти к
сборке другого узла, если возникла
непредвиденная задержка, а не ждать,
когда придет оператор.
В стратегическом плане можно
выделить два подхода к применению
роботов на сборочных операциях.
Первый подход предусматривает
строгую дисциплину подготовки
производства и высокий уровень его
управления. Необходимо обеспечить
точную синхронизацию работы всего
сборочного участка, своевременную
подачу деталей и материалов в строго
ориентированном пространственном
положении, иначе говоря, предельно
высокую организацию окружающей (внешней)
среды робота. При соблюдении этих
требований возможно и оправдано
применение промышленных роботов, т. е.
роботов первого поколения или простейших
адаптивных роботов, например с тактильными
датчиками. Конечно, такие роботы должны
отвечать требованиям по точности
позиционирования, манипуляционным
характеристикам, грузоподъемности
и соответствующим параметрам ЗУ.
Следует отметить,
что такой подход может потребовать
существенной перестройки производства,
он возможен и экономически оправдай
при изготовлении изделий крупными
партиями. Для мелкосерийного и
индивидуального производства такой
путь вряд ли приемлем, так как расходы
на организацию внешней среды могут
оказаться весьма значительными.
При втором подходе, когда детали
отличаются некоторой нестабильностью
размеров и форм и когда нельзя предусмотреть
все возможные ситуации, следует применять
адаптивные роботы или роботы с
искусственным интеллектом, оснащенные
системами технического зрения,
тактильными и другими датчиками. Это
позволяет имитировать аналогичные
действия человека-сборщика и принимать
решения в зависимости от сложившейся
ситуации.
Необходимо отметить, что
автоматизация предъявляет к объектам
сборки специфические требования по их
технологичности: взаимозаменяемость
сборочных единиц, которые, в свою очередь,
могут быть собраны независимо друг от
друга; возможность проведения
последовательной сборки, характеризуемой
наличием одной или нескольких базовых
деталей, с которыми последовательно
сопрягаются присоединяемые детали;
минимальное число направлений сборки,
простота траекторий движений соединения;
максимальная свобода доступа
сборочного инструмента.
К деталям, предназначенным
для автоматической сборки, предъявляют
следующие требования: простота
конструкции, обеспечивающая удобство
складирования и ориентации; наличие на
сопрягаемых поверхностях направляющих
элементов, облегчающих соединение
за счет самоустановки деталей; наличие
ярко выраженных базовых поверхностей,
размеры которых, а также расположение
относительно сопрягаемой поверхности
должны быть выдержаны о
необходимой
точностью; стойкость к повреждениям
при воздействии сборочного инструмента
и оснастки; унифицированность и
стандартность; гарантированное
качество.
Тип и конфигурация
базовой детали определяют конструкцию
сборочного приспособления и схему
базирования. Условия собираемости,
выбор базовых поверхностей при
захватывании и установке присоединяемой
детали, а также последовательность
сборки зависят от пространственного
расположения поверхностей сопряжения.
Наиболее подготовлены к автоматической
сборке две типовые группы комплектов,
которые могут быть разделены в процессе
расчленения сложного собираемого
объекта на составные части в соответствии
со схемой сборки.
Рис. 5.10. Комплект
сборочной единицы: а
— с
охватывающей базовой деталью; б
— с базовой
деталью типа «вал»
Одна из таких групп
(рис. 5.10, а)
представляет
собой комплект о
охватывающей
базовой
деталью,
в которую последовательно устанавливаются
распорные втулки, уплотнительные
манжеты, пружинные кольца и
другие детали
или предварительно собранные комплекты
или изделия, например подшипники
качения. В качестве базовых могут служить
детали коробчатой формы, фланцы, блоки
зубчатых колес и
т. п.
Вторая группа
комплектов представляет собой сборочную
единицу (рис. 5.10, б)
с базовой
деталью типа вала, втулки, на которую
устанавливаются отдельные детали или
предварительно собранные комплекты и
изделия.
Выделение из изделий типовых
комплектов позволяет применить методы
групповой технологии и повысить
эффективность автоматизации сборки
в серийном производстве.
В современном машиностроении
наметились тенденции к увеличению
удельного веса сборки в общей трудоемкости
изготовления изделия и приближения к
серийному и мелкосерийному производству.
Такое положение требует перехода от
специализированного оборудования к
легко переналаживаемому автоматическому
оборудованию. Один из видов такого
оборудования — сборочные роботизированные
технологические комплексы, оснащенные
промышленными роботами.
Применение промышленных
роботов в составе РТК для автоматической
сборки изделий предусматривает выполнение
роботами основных и вспомогательных
операций процесса сборки. К основным
относят операции соединения деталей
различного типа, нарезание резьбы,
завинчивание, зенкование и т. д., к
вспомогательным — все операции
транспортирования и перемещения деталей
в пространстве.
Одна из характерных задач процесса
сборки — сопряжение двух детатей типа
«вал — втулка». При выполнении этой
операции неизбежно возникает
необходимость относительного
ориентирования этих деталей.
На рис. 5.11 представлена классификация
различных способов относительного
ориентирования сопрягаемых деталей. В
соответствии с этой классификацией
все многообразие различных способов
сборки можно разделить на две большие
группы: 1) сборка при жестком базировании;
2) сборка при плавающем базировании.
К первой группе относится способ
с использованием базирующих устройств
и способ непосредственного ориентирования
детали в захватном устройстве робота.
Способ с использованием базирующих
устройств применим в тех случаях, когда
гарантированный зазор между валом и
отверстием втулки, установленной в
базирующем устройстве, удовлетворяет
условию
∑δ≥
δ 1 δ
2 δ 3
(5.1)
где
δ1
— погрешность позиционирования робота;
δ2
— погрешность установки втулки в
приспособлении; δ3
— погрешность изготовления
приспособления.
В теоретическом
плане эти положения подробно рассмотрены
вгл. 2. Способ
ориентирования сопрягаемых деталей
при таких условиях наиболее прост и не
требует применения специальных мер.
Рис. 5.11. Классификация способов
относительного ориентирования
сопрягаемых деталей
Однако этот способ предусматривает
использование роботов с высокой
точностью позиционирования рабочих
органов и применим для сборки узлов,
имеющих большие зазоры между сопрягаемыми
деталями. Заметим, что приведенные
соображения относятся не только к
деталям типа тел вращения, но и к
прямоугольным деталям призматической
формы. Очевидно, что в этом случае
необходимо учитывать еще одну координату
— взаимный угол поворота сопрягаемых
деталей, что несколько усложняет задачу.
Способ непосредственного
ориентирования деталей применяют в
тех случаях,
когда условие (5.1) не выполняется, т. е.
ошибки позиционирования робота и
установки детали превышают суммарный
зазор и вероятность правильного
сопряжения резко уменьшается. В
этих случаях
целесообразно использовать соответствующие
способы с плавающей базой или
специальные технологические приемы.
Специфика условий выполнения с
помощью промышленных роботов операций
соединения разнообразных по конструкции
деталей обусловливает необходимость
создания специализированного
сборочного инструмента достаточно
широкой номенклатуры. Инструменты
снабжаются устройствами, обеспечивающими
выполнение необходимых для соединения
деталей движений: поисковых, силовых,
контрольных.
Наибольшее применение находят
сборочные инструменты для выполнения
типовых операций. К таким инструментам
относятся:
— захватные устройства
для перемещения и установки деталей
без точного их ориентирования, с большими
зазорами (для установки базовых деталей
в приспособление, укладки прокладок,
удаления собранных изделий);
— инструмент для
захватывания, перемещения и присоединения
деталей с малыми зазорами или небольшими
натягами (в том числе инструменты со
встроенным механизмом компенсации
погрешности взаимного положения
сопрягаемых поверхностей);
— инструмент для захватывания,
перемещения и установки нежестких
деталей (например, резиновых манжет);
— инструмент для захватывания,
перемещения и установки упругих деталей,
например пружинных колец (в том числе
инструменты со встроенным механизмом
предварительной деформации);
— инструмент для выполнения
резьбовых соединений (в том числе с
контролем крутящего момента или других
параметров);
— инструмент для установки
деталей на вал, включая инструмент
со встроенным механизмом дополнительной
ориентации присоединяемой детали
по базовой;
— инструмент для сборки с
пластической деформацией детали (клепки,
развальцовки и др.);
— контрольно-измерительные
головки различного типа.
Как уже было сказано ранее, важным
направлением при роботизации процессов
сборки является применение адаптивных
роботов.
В качестве примера дадим описание
роботизированного технологического
сборочного комплекса для сборки
неразъемных соединений [41, с. 230].
Как следует из приведенных выше
соображений, неразъемные соединения
получают различными способами, в том
числе за счет клепки.
На рис. 5.12, а
представлена
схема РТК для сборки узла «рычаг»
(рис. 5.12, б),
входящего
в состав
путевого переключателя серии ВК-200,
основанного на использовании двух
промышленных роботов РС-5 и РО-7.
Собираемый
узел состоит из трех деталей — оси,
ролика и планки. Два варианта исполнения
узла, нестабильность размерных параметров
и конфигурации планки, затрудняющая
использование традиционных и простых
средств автоматического ориентирования,
как, например, трафареты, направляющие
втулки и т. д., обусловливают
целесообразность включения в РТК
ориентирующего робота РО-7.
В основе РТК заложена
представленная на рис. 5.12, в
схема
непрерывной сборки деталей с предварительным
наклоном осей. Последовательность
сборки следующая. Робот РС-5 захватывает
по большому диаметру ось, извлекает ее
из выходного лотка загрузочно-ориентирующего
устройства 2
движением
в направление v
и перемещает
под выходным лотком ориентирующего
устройства 3.
Вследствие
вибрации захватного устройства 4
ролик
наживляется, а затем и полностью
надевается на ось (см. рис. 5.12, а).
При наличии
в захватном
устройстве двух деталей (оси и ролика),
образующих подузел, оно перемещается
до остановки под лотком 1.
Рис. 5.12, Общий вид
РТК (а) для узла «рычаг» (б)
и схема
его сборки (в)
Если подузел не укомплектован
роликом или не произошла под-сборка,
встроенный в захватное устройство
струйный датчик фиксирует его
отсутствие и после временной выдержки
выдает команду на сброс несобранных
деталей и начало нового цикла сборки.
Укладка в лоток /
планки осуществляется роботом 11
(РО-7), рука
8 которого,
находясь над выходным лотком ориентирующего
устройства 9,
захватывает
планку, поступившую после первичного
ориентирования на позицию распознавания
10, и
при необходимости передает ее второй
руке 12,
находящейся
над лотком 1,
для
до-ориентирования. Если планка расположена
на позиции 10
должным
образом, рука 8
сразу
выгружает ее в лоток 1.
Затем
поворотом руки робота 7
планка,
которая удерживается в процессе
транспортирования на позиции клепки
электромагнитом захватного устройства
4, извлекается
концом оси из лотка 1.
Укомплектованный
узел поворотом промышленного робота
устанавливается в рабочей зоне пресса
6 и
перехватывается за планку электромагнитом,
установленным на конце штока пневмоцилиндра
5; происходит операция клепки. Сброс
готового узла осуществляется за счет
его собственного веса.
Несмотря на то, что изделие
«рычаг» состоит всего из трех деталей
и процесс сборки его весьма прост, этот
РТК достаточно наглядно иллюстрирует
основные характерные особенности
сборочных комплексов.
§